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末祖因为对这个问题的不同回答分裂成了大相径庭的两派,这两派从此走上了截然不同的进化道路,再也没有回头[7]。
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[1]聪明的读者或许会问,如果RNA聚合酶跑得很快,ρ因子追不上,岂不是永远也无法“外部终止”了吗?而且,即便RNA聚合酶的速度没有那样快,也可能在ρ因子之前超越某条RNA正确的终点,开始转录下一段RNA,到时候ρ因子即便追上了它也不能在正确的地方切分RNA了。这的确是个好问题,因为RNA聚合酶的转录速度真的要比ρ因子的爬行速度更快,但是,凡是需要ρ因子来分割的RNA,都会在终止序列下游有一个特殊的暂停序列,能够大幅延缓RNA聚合酶的动作,使ρ因子及时地追上来。所以你看,图5—16里面中间那幅是有个“暂停”的。
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[2]当然,也有一些细菌能一次分裂成多个细胞,比如L型枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilisL)就能一次发出好多个芽,每个芽都是一个新的细胞,但这同样是细胞分裂,只是分裂得不均等罢了。
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[3]如果你想在这本书之外拓展一下,这种移位酶与质粒的对应关系包括TrwB和R388质粒、TraD和F质粒、TraG和RP4质粒。
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[4]细菌需要保持细胞内外的液压恒定,所以进化出了一层“细胞壁”,而根据细胞壁的具体结构,细菌可以总体分为两类:革兰氏阴性细菌在细胞膜外有一层肽聚糖构成的细胞壁,在细胞壁外面又盖了一层“细胞外膜”,整个结构就像奥利奥一样;革兰氏阳性细菌则没有细胞外膜,而是拥有很厚很厚的细胞壁。古菌的情况类似革兰氏阳性菌,但是不含肽聚糖,而由蛋白质构成,所以古菌的IV型分泌系统会省去好几个环。
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[5]我们现在知道,细菌拥有F型ATP合酶,古菌拥有A型ATP合酶,而真核生物的V型ATP合酶更接近A型ATP合酶,这也是之前提到过的内共生假说的一个佐证,即线粒体本来是个细菌,所以线粒体的ATP合酶与细菌的ATP合酶一样;而真核细胞的主体源自古菌,所以细胞质里的ATP合酶与古菌的ATP合酶一样。至于F型ATP合酶与A型ATP合酶有什么区别,那主要是架子和棍子略有不同,尤其是棍子的差异比较大。
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[6]当然当然,熟练的船员可以改变船帆的迎风角,让船沿着折线逆风前进,甚至还可以设计专门的风动力装置,让船在逆风时行得比顺风时还快,但我们这里只是打个比方而已,请不要太在意这些喻体的细节。
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[7]它们只是分家而已,并没有绝交。
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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? 第二十二章分道扬镳
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细菌和古菌的分化
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仅仅拥有乙酰辅酶A路径并不足以独立生存,末祖还需要主动营造跨膜的氢离子梯度,然而这要消耗一份额外的能量,这是之前介绍的能量转换机制不能胜任的。于是,末祖进化出了“电子分歧”这种能量转换机制,透支一部分未来产生的能量,推动现在急需的反应,而末祖的两群后代把它安排在了乙酰辅酶A路径的不同位置上。由此,白烟囱假说漂亮地解答了乙酰辅酶A路径拥有细菌和古菌两个不同版本的难题。
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与此同时,细菌和古菌还拥有大相径庭的DNA复制系统,对此,福泰尔提出,它们的DNA复制系统很可能是在独立生存的过程中,各自从病毒那里俘获的。
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就这样,末祖分化成了独立生活的细菌和古菌,我们那幅宏大的图景就此落成。
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不知不觉间,我们的末祖已经达到了相当完备的程度:它有了很好的细胞膜,可以保护自己内环境稳定;有了化学渗透,可以给自己制造能量通货;有了乙酰辅酶A路径,可以给自己制造有机物;有了蛋白质翻译系统,可以制造出一切可能的蛋白质;虽然还没有复制DNA的酶系统,但它至少有了逆转录机制。凭着白烟囱里的天然氢离子梯度,它们可以世世代代地繁衍生息下去了。
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但这个末祖的后代并不甘于深渊下的海底,“珍珠般的洞窟”,正如我们看到的,大约在38亿年前,生命就离开了孕育它的地质化学子宫,奔向了自由的海洋。及至今日,我们已经占据了整个地球表面,构造出了已知宇宙中唯一的行星生物圈,并且跃跃欲试地仰望着浩瀚的星空,畅想着银河彼岸的未知世界了。
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所以,38亿年前的末祖身上究竟发生了什么,才使它们勇敢地离开了生命起源之地,开始了有无限可能的新生活?
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在这一幕的故事里,我们已经把逆向转运蛋白的出现视作末祖诞生的标志,在那之后,会有三幅起源图景:已经介绍过的现代细胞膜起源图景、讨论到了一半的电子传递链起源图景,以及这一章即将介绍的DNA复制系统起源图景。这三幅起源图景在这本书里虽然是依次展开的,但在完整的白烟囱假说中却是重叠在一起的,或者说,这些进化是交织在一起同时发生的。而这重叠或交织的结果,就是细菌和古菌的起源图景,也就是生命脱离白烟囱的进化图景。
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·电子分歧·
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是啊,白烟囱只是深渊里一些逼仄的洞窟,那近乎无限的海洋里还有无限的可能,任何可以脱离白烟囱的生命都将前程似锦,而对于此时的末祖来说,要迈出这一步几乎就只需解决一个难题了:怎样才能不再依赖白烟囱里的天然氢离子梯度?
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的确,白烟囱里的天然氢离子梯度是末祖一切代谢的能量之源,但自由的海洋里并没有这样的氢离子梯度,所以末祖必须自己想办法制造跨膜氢离子梯度。
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乍看起来,这个大难题已经有了解决的眉目。有了逆向转运蛋白后,末祖进化出了更加密闭的细胞膜,也进化出了原始的电子传递链。那么,如果电子传递链进化得足够强劲,往细胞膜外侧泵出足够多的氢离子,末祖不就可以自力更生地维持氢离子梯度了吗?
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乍看起来好像是这样,但是稍微多想一步,我们就会发现这个解决方案是在“拆东墙补西墙”。上一章说过,最初的电子传递链就是调转方向的能量转换氢化酶。可是能量转换氢化酶肩负着重要的职责,它要把氢气的电子夺走,用来还原二氧化碳,启动整个固碳作用。如果能量转换氢化酶都调转了方向,改行去做能量代谢的电子传递链了,固碳作用岂不是釜底抽薪地停止了?
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当然,对于上一段那个“都”字,一定会有人提出这样的建议:能量转换氢化酶为什么不能分工合作,一部分负责启动固碳作用,另一部分变成电子传递链呢?对此,我们不妨讲个老套的笑话。这一天,兄弟俩合伙去集市上摆摊,哥哥负责进货,弟弟负责卖货。但哥哥是个傻小子,几步没走远,就觉得反正都是买,买别人的不如买自己的,就调回头来拿钱买自己摊上的东西。没想到弟弟也一样傻,觉得卖给谁不是卖,就真的拿了哥哥的钱,还把东西给了哥哥。于是,哥哥左手从弟弟那里买来,右手就拿给弟弟去卖,弟弟左手从哥哥那里接来,右手又立刻卖给哥哥,兄弟俩你来我往折腾了一天,忙得不亦乐乎。晚上收摊回家的时候,一分钱没挣上,还亏了午饭两碗面钱,他们的父母愤愤地说:这样的傻儿子有还不如没有!
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