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现在还差一小步就要完成产氧光合作用了。我们从锰而非水分子中获取电子,最后这个改变是怎么发生的?答案十分惊人,那就是什么都不必改。
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放氧复合体,可以说是一个水分子胡桃钳,刚好可以钳住水分子,使电子一个个被夹出来。当电子都夹完了,那无用的废弃物“氧气”就飘入我们的世界。这个复合体是光系统Ⅱ构造的一部分,不过是靠外的一部分,它面向外面,给人一种后来才镶上去的感觉。它的体积之小、结构之简单让人惊讶,总共也就是只有四个锰原子和一个钙原子,被几个氧原子晶格连起来而已。
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从好几年前开始,那位活跃的地质化学家罗素(我们在第一和第二章介绍过他)就认为这个复合体的结构,像极了一些在海底热泉的矿物质,比如说锰钡矿或钙锰石。然而在2006年以前,我们都无法知道这个锰原子簇的原子构造,而罗素的观点也因此如旷野风声般被忽略。现在我们知道纵然罗素的观点不全对,但是他的大方向绝对是正确的。这个原子簇的构造,如同伯克利的维塔尔·亚钱德拉团队解析出来的一般,确实和罗素所说的矿物质构造极为相似(见图3.4)。
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图3.4 古老的氧气释出蛋白复合体的矿物中心结构,由X射线结晶体学解析出:带四个锰原子的核心(标示为A到D)被几个氧原子织在一起,旁边还有一个钙原子。
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最早的放氧复合体是否仅是一小团矿物镶在光系统Ⅱ里,我们无法确定。或许这些锰原子在被紫外线氧化的过程中,与氧原子晶格结合,最后就地生成了细小结晶。[10]或许这个原子簇因为太靠近叶绿素或其他蛋白质,所以结构被扭转了一点点,使得它的功能得到优化。不过不管它是如何成形,都极可能是个意外。它的结构太像矿物而不像生命产物了,就像在许多其他酶核心也可以找到的金属原子簇一般,它们必定是好几十亿年前能在海底热泉旁找到的古董。这些被蛋白质所包覆的金属原子簇,是最珍贵的珠宝,就这样被蓝细菌永久保藏。
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不管来源如何,这一小团锰原子簇,不只为第一个包住它们的细菌,更为整个行星的生命创造了一个全新的世界。一旦成形,金属原子簇就开始分解水分子——四个氧化的锰原子顺从自己的“渴望”把电子抓出来,把氧气丢弃。刚开始逐渐被紫外线氧化的锰原子,慢慢地分解水分子,等到它与叶绿素一结合,电子就开始流动。随着叶绿素渐渐适应这份工作,流动会越来越快。吸入水分子,拆开,抽出电子,释放氧气。一开始是一点点,慢慢地变成大量涌出,这一条创造生命的电子回路就是所有繁荣生命的幕后功臣。我们要为了两件事好好感谢它,一件是它成为所有食物的来源,另一件是它带来氧气让我们可以燃烧食物。
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同时它也是解决世界能源危机的关键。我们不需要两个光系统,因为我们不需要生产有机分子。我们只需要从水中释放两种材料——氢和氧,让它们再度反应,就可以释出所有人类所需的能量,然后排出唯一的废弃物就是水。换言之,有了这种小小的锰原子团,我们就能利用太阳能来分裂水分子,再让产物重新结合生成水,这就是氢经济。从此不再有污染,不再有化石燃料,不再有碳足迹,也不再有影响全人类的全球变暖,或许只是有点容易爆炸的麻烦。如果这一小团原子曾经彻底改变了地球的面貌,那么了解它的结构将会是改变现存世界的第一步。就在我写书之时,全世界的化学家都在争相研究如何从实验室合成这个微小的锰核心,或具有相同功能的东西。他们一定很快就会成功,而我们依赖阳光与水生活的日子也指日可待。不久我们就能学会以水和阳光为食。
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[1]大气中的氧气分子是二氧化碳分子的550倍,所以就算让二氧化碳浓度再增加两三倍也不是难事。然而就算大气中氧浓度不会有太大的改变,温度上升也会减少溶解在水中的氧气。许多鱼类已经受到低溶氧量的影响了。举例来说,在北海的绵鳚类族群大小,每年都随氧气浓度而改变,氧气浓度越低,它们族群越小。
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[2]想知道更多氧气对进化的影响,请见我的另一本书:《氧气:创造世界的分子》(Oxygen: The Molecule that Made the World)。
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[3]如果你想知道更多,我强力推荐英国科普作家奥利弗·莫顿所写的《吃太阳》(Eating the Sun)。
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[4]托马斯·赫胥黎在读《物种起源》时曾这么叹道:“我们怎么会这么笨,竟然没想到这一点!”
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[5]在电磁光谱中,光的能量与波长成反比,也就是说波长越短的光,能量越高。叶绿素所吸收的光属于可见光,特别是红光。这个超强氧化剂形态的叶绿素就叫作P680,因为它刚好吸收波长约680纳米左右的红光。也有一些叶绿素会吸收能量再低一点的光,比如波长700纳米左右的红光。叶绿素完全不吸收绿光和黄光,所以它们会被叶子反射出来(或穿透),这就植物看起来是绿色的原因。
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[6]为什么生物化学总让人望之却步?NADPH的全名是个好例子,它叫作还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,是非常强的还原剂,也就是强力的推电子者。
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[7]严格来说,它们在细菌体内并不叫作光系统,而叫作光合单位。然而,细菌的反应单位不管在构造上或功能上,都和植物所有的系统几无二致,所以我在这里还是沿用一样的称呼。
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[8]紫质症其实是由于紫质在皮肤与器官堆积引起的疾病总称。大部分的病症都是良性的,但是有时候堆积过多的紫质被光活化后,会造成令人痛苦的灼伤。最恶性的紫质症,比如红细胞生成性血卟啉症(紫质也称为卟啉,卟啉是紫质的英文音译),破坏性极强,会让耳朵和鼻子都被侵蚀,牙床也被侵蚀,从而让牙齿突出在外如同獠牙,还会造成皮肤结痂,面部生长毛发。有些生化学家认为,这些症状是造成某些民俗传说的原因,比如吸血鬼与狼人等。他们认为他们是有一些症状较轻的紫质症患者,因为疾病的痛苦而充满愤怒,但却又没有完全与世隔绝。而现在,恶性紫质症在社会中十分罕见,因为我们会采取预防措施与较佳的治疗来避免并发症。除此之外,紫质对光敏感的特性也已经被用在癌症治疗上面,也就是所谓的光动力疗法,利用被光活化的紫质去攻击癌细胞。
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[9]根据艾伦的看法,两个光系统是在一株蓝细菌的祖先体内,应不同的环境需求而分异的。其他人则认为两个光系统应该是在两株不同的细菌体内独自发展,最后才通过某种基因融合作用合并在一起,形成基因嵌合体,也就是现在蓝细菌的祖先。最近的研究结果比较支持艾伦的论点(研究结果显示,光系统是从蓝细菌传给其他细菌,而不是反方向传回来)。不过现阶段遗传学的证据其实很模糊。不论谁对,两个光系统都要先独立运作才能结合。
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[10]根据吉姆·巴伯的看法,现在的放氧复合体就是这样形成的。如果把复合体从光系统Ⅱ中移走,再把这个“空的”光系统放入带有锰和钙离子的溶液中,只要一些闪光就可以重建这个复合体。每一道闪光都会氧化一个锰离子,一旦氧化之后离子就会就位。经过五六道闪光之后,所有的锰离子和钙离子就都定位了,整个复合体重建完成。换言之,只要有适合的蛋白质,这个复合体是可以自动组装的。
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生命进化的跃升:40亿年生命史上10个决定性突变 第四章 复杂细胞——命运的邂逅
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没什么东西比细菌更保守了,主宰地球30亿年,自始至终都是细菌;也没什么东西比真核细胞更激进了,引发了寒武纪大爆发,物种开始肆意创造。从细菌进化为真核细胞,似乎不像达尔文所说的渐进式,而更像一场命运邂逅引发的突变。
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“植物学家就是赋予相似的植物以相似的名称,不同的植物以相异的名称。这样对众人来说,事物就显得清楚明了。”这是伟大的瑞典分类学者卡尔·林奈的评论,而他本人正是一位植物学家。或许我们现在会为这微不足道的抱负感到惊讶,但是林奈正是通过将生命世界依据其物种分类,为现代生物学奠定了基础。他必定对自己的成就十分自豪,“上帝创造万物,林奈整理万物。”他总是如此说。而他必定认为,现在的科学家应该继续使用他的分类系统,将所有生物分成界、门、纲、目、科、属、种。
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这种将万物分类,从混沌中理出秩序的欲望,让我们周围的世界变得有意义,同时也为许多学科打下根基。没有元素周期表,化学将不知所云;没有宙代纪世,地质学也将无以为继。但是生物学和它们存在巨大差异,因为只有在生物学里,分类学仍然是主流的研究领域。那株“生命树”,也就是那幅标示所有生物彼此关系的图谱该如何绘制,至今仍是平常谦恭的科学家彼此争执与敌视的源头。加拿大的分子生物学家福特·多利特,是最彬彬有礼的科学家之一,他有一篇文章的标题忠实地传达了这种情绪——《带一把斧头走向生命树》。
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他们并不是在斤斤计较一些细枝末节,而是在计较区别所有物种最重要的部分。我们大部分人都和林奈一样,会直观地将世界分成动物、植物与矿物,毕竟这些确实就是我们所能看到的。他们有什么相同的地方呢?动物由复杂的神经系统指挥,四处巡弋,以植物或其他动物为食。植物以二氧化碳与水为原料,利用太阳能来制造自身所需之物,它们根系固定,也不需要大脑。至于矿物则完全就是非生物,虽然矿物的生长现象曾误导了林奈——说来有点尴尬,这位植物学家也把它们分类了。
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