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1700257970 发电机都是一样的,不一样的只是如何因地制宜,汲取当地最廉价的天然能源。类比一下,我们会发现发电机的转子就相当于ATP合酶,而发电站的其他设施整合起来,就相当于电子传递链。
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1700257972 那么,从共祖到末祖,电子传递链最初形成的时候,那个廉价的天然能源是什么呢?
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1700257974 这就是我们在回溯的道路上找到的第一条具体线索:生命起源之地很可能存在着普遍的氢离子梯度,可以实现最初的化学渗透——在所有的生命起源假说中,白烟囱假说几乎是唯一重视了这个线索,而且利用了这个线索的假说:碱性热液的pH值可以达到9到11,而原始海水溶解了大量的二氧化碳,pH值可以低至6以下,由此就呈现出了1 000倍到10万倍的氢离子浓度差异。那么,这将意味着什么呢?
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1700257976 在第五幕我们会集中地讨论它。
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1700257978 生命的起源:所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的? [:1700256295]
1700257979 延伸阅读细胞的能量通货——腺苷三磷酸
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1700257981 高中生物课会介绍一种名叫“腺苷三磷酸”(adenosine triphosphate,缩写为ATP)的物质,告诉读者它是所有地球生命共用的“细胞能量通货”:细胞内的一切能量物质,无论是主要的供能物质单糖、主要的储能物质多糖和脂肪,还是临时供能物质氨基酸,它们释放出来的能量都不能被细胞中的生化反应直接利用,而必须先储存在ATP的化学键内,然后再由ATP水解释放出来,供应给各种需要能量的生化反应[16]。
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1700257983 就好比在现代社会中,无论你从事什么行业,制造什么产品或提供什么服务,报酬都先要换成通货,也就是“钱”,再花钱买你需要的其他服务——在这里,你制造的产品和提供的服务,就好比各种富含能量的物质;ATP,就好比钱;而ATP给各种生化反应提供能量,就好比花钱购买其他产品和服务。
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1700257985 可这是为什么?正文讲述了那么一个跌宕起伏的流程,才让细胞制造了充足的能量通货,为什么不省省事儿,让各种富含能量的物质,比如葡萄糖和脂肪,直接推动各种生化反应呢?
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1700257987 我们不妨先问一个问题:现代社会为什么不能以物易物,而一定要先挣钱再花钱?——如果一个程序员对一个理发师说,“我给你写个数据库,你给我理一年的发”,结果会怎样?他一定会被愤怒的理发师轰出去:一来,理发师非常可能不需要数据库服务,二来,就算数据库很有价值,理发师又怎么知道一个数据库相当于理多少次发呢?而有了钱就不一样了,钱是交易的媒介,解决了供需匹配的问题,大家都可以挣钱,也都可以花钱。钱也是价格的单位,解决了该值多少的问题,任何商品都可以用钱来计算。
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1700257989 而这个答案,也正是细胞为什么需要能量通货的答案。
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1700257991 一来,具体的能量物质和生化反应很难匹配得上。细胞内富含能量的物质实在是种类繁多,不仅仅糖、脂肪、蛋白质这些中学介绍过的经典有机物富含能量,原则上,构成生命的任何一种有机物都可以被氧化成无机物,并且释放出许多的能量来,也就都可以被看作能量物质。而细胞内的每一种物质又都能参与数不清的生化反应,每一种生化反应还需要专门的酶来催化。要让这么多种类的能量物质和这么多种类的酶全都匹配上是不可能的。但有了能量通货,一切能量物质只需要转化成能量通货,一切生化反应也只需要使用能量通货,事情就变得非常简单了。
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1700257993 二来,不同的能量物质在不同的化学反应中释放的能量各不相等,如果直接拿来推动生化反应,就会出现各种状况:有时候能量不够,无法反应,有时候能量过多,反应失控,有的时候供能太慢,反应失败,有的时候供能过快,反应失衡。但有了能量通货,生化反应能量供应就有了单位,该用几分子能量通货就用几分子能量通货,变得非常精准稳定了。
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1700257995 那么,ATP又是如何担任能量通货的呢?在高中课本上,答案是ATP含有高能磷酸键,在水解时会释放大量化学能,推动各项生化反应。这个答案称不上错,但又有些含糊,有些神秘:“化学能”是一种怎样的能量,又是如何推动生化反应的呢?叫人遐想,可又找不到头绪。所以接下来,我们同样会用一个感性的解释,帮助你理解这个问题。
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1700257997 对于图2—24里的分子结构,只需关心左半边的虚线框就好了:每个虚线框里都是一个磷酸基,我们首先注意到这三个虚线框彼此重叠,因为这三个磷酸基已经脱水缩合,被磷氧键连接起来;同时,我们还注意到,这些磷酸基都在细胞内的弱碱性环境里电离掉了氢离子,带上了至少1个单位的负电荷。
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1700257999 这就消停不了了。
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1700258001 我们都知道,电荷同性相斥,这三个磷酸基必然很想互相弹开。然而,这些带着负电荷的磷酸基却缩合得非常紧密,电荷斥力被束缚起来无法释放,像极了一根弹簧先被压缩,又被一根绳子贯穿过去两头系紧,必然憋着一股势能。可想而知,如果有什么东西过来把那两个磷酸基之间的磷氧键弄断,更靠左边的磷酸基就会“砰”地一下弹开,把其中蕴含的势能一股脑释放出去。就像图2—26那样,如果先把这根较着劲的弹簧撑在奇怪的剪刀的两柄之间,再弄断那根束缚的绳,结果必然是弹簧一崩,剪刀就“咔嚓”一下合住,同时剪断了另一侧的丝带——或者说是生化反应的底物。
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1700258006 图2—24 ATP的分子式。如果去掉最左边的磷酸基就是ADP。在实际的微观世界里,这个分子拥有三维结构,比如左边那些磷酸基不是十字架而是四面体。不过,读者暂时不用在意这些细节。(作者绘)
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1700258011 图2—25 那串磷酸基就可以看作这样一个高度压缩,又被一根绳系紧的弹簧。(作者绘)
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1700258016 图2—26 ATP结合到酶上,就好像这根较着劲的弹簧顶在剪刀把之间。(作者绘)
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1700258018 借助ATP催化各种生化反应的酶,就恰似这把剪刀:它们会在三维空间中盘成复杂的形状,预留一个位点让ATP嵌进去,然后突然弄断那些磷酸基之间的磷氧键[17]。那么当ATP上的磷酸基猛然崩开,整个酶就会像这把剪刀一样,发生一系列的形态变化,继而迫使酶上的反应底物发生特定的化学反应。
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