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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？ [:1700256382]
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延伸阅读铁硫蛋白的起源与进化
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作为整本书最后一篇“延伸阅读”，我们恐怕还是得多回答一个问题：从第九章到这一章，我们已经见过了林林总总好多种奇妙的铁硫蛋白，它们是怎么进化出来的？的确，第二十章说过，含有半胱氨酸的肽链很容易在折叠成蛋白质的时候把正在形成的铁硫原子簇包裹进去，但是，它们怎么就能包裹得如此恰到好处，形成那些惊人的“电路”呢？
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模块化，答案是模块化。
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在之前所有的插图里，为了表述简单，我们把各种复杂的铁硫蛋白都画成了团块状，许多个铁硫簇被“巧妙”地安排在里面，构成了精致的电路。但实际上，除了铁氧还蛋白这个最简单的例子，其他所有铁硫蛋白都是蛋白复合物，都像ATP合酶一样，由一个个原本独立的蛋白质组装而成。而这些独立的蛋白质，就是细胞的“电路模块”，它们当中的每一个通常只有不超过4个铁硫簇，只能形成“储存两个电子”“沟通上方和下方”“沟通左上角和右下角”“上面进来，可以从左边出去也可以从右边出去”这样最简单的电路功能。然而请回忆第十八章，我们说过，蛋白质这样的生物大分子能在表面形成各种各样的相互作用，然后就会根据各自的三维形态，像鲁班锁一样组装起来。而对于铁硫蛋白，这样的组装就会使那些电路模块一个个地沟通起来，形成规模更大、功能更复杂的电路。而不同的组装方式又会产生不同的功能电路。
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比如说，我们最近在伍氏乙酸杆菌的细胞内发现了一种“氢依赖型二氧化碳还原酶”（hydrogen dependent CO₂ reductase，HDCR），它能够在氢气浓度非常高，达到产甲烷作用所需下限250倍以上的时候直接用氢气还原二氧化碳，而不需要辅酶NADH的协助。
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而研究了它们的蛋白质结构之后，我们发现，这个二氧化碳还原酶包括了三种铁硫蛋白模块：HydA模块用来结合氢分子，两个HycB模块用来传导电子，还有一个FdhF模块用来结合二氧化碳。这三种模块我们一点儿都不陌生，它们在别的蛋白质，甚至别的细菌里都能派上用场：那个HydA模块就是伍氏乙酸杆菌的电子分歧酶用来结合氢分子的模块，而FdhF模块和HycB模块是氢化酶的标配，比如在大肠杆菌的电子传递链上，这两个模块就会结合起来从甲酸那里拿走电子，去还原氢离子。XIV
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这整个过程让我们想起集成电路出现之前，电气工程师要用标准化的电容、电阻、电感、开关、导线等零件尝试组装各种各样的电路。但在进化的历史上，组装铁硫蛋白的不是任何电气工程师，当然更不是其他任何“设计师”，而是随机突变和自然选择：前者产生了各种各样的电路模块，它们内部的铁硫簇有纳米尺度的位置差异，它们外部的作用力有埃米尺度的分布差异，这样一来，不同的电路模块就会因为不同的内外属性，自发地组合出各种各样的功能电路。而自然选择就只需在这琳琅满目，数以亿甚至千亿计的功能电路当中，找到性能最佳的那一小撮，而让其他糟糕的突变在竞争中淘汰掉，就可以了。
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图5—35 四种在进化上关联的氢化酶或脱氢酶，你会注意到它们都像乐高积木一样是模块化的，同一个模块在不同的蛋白质中可以起到不同的作用。（作者绘）
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所以毫不奇怪，2018年，比较了已知的12种核黄素依赖型电子分歧酶之后，我们发现它们并不是由某个共同原型发展来的，而是在细菌和古菌的进化中，各种现成的铁硫蛋白招募了含有核黄素的新模块变化来的XV。而这也不仅仅出现在铁硫蛋白的进化历程中，生命的任何蛋白复合物，乃至任何复杂性状，都可以化整为零，化繁为简，经过最基本的随机突变和自然选择出现在这个世界上，我想，对于这本书的读者来说，这已经再也不是难于理解的事情了。
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[1]如果你奇怪为什么我们的复合物I是从细菌的能量转换氢化酶进化来的，那么答案早已经蕴含在这本书里了：我们的复合物I存在于线粒体内，而线粒体是一种内共生的细菌。
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[2]一般来说，辅酶NADH的还原性还不足以还原二氧化碳，但是电子分歧让辅酶NADH的浓度达到了NAD⁺的40多倍，这种浓度的差异会显著增强辅酶NADH的还原性，使它足以还原二氧化碳。
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[3]需要澄清的是，在细胞内，解旋酶并不必须从双链的“一段”开始解旋。实际上，细菌和古菌绝大多数的DNA都是环状的，无头无尾，解旋酶是在DNA上一种专门的“复制起点”附近开始解旋，所以你应该想象把图5—27复制一份，旋转180°，拼到右边去，看起来大致就像“——〇——”，两个解旋酶一个向左，一个向右，分头前进。
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[4]严格地说，DNA聚合酶也不能立刻开始制造子链。在第十七章，我们介绍基因组标签假说的时候提过，聚合酶只能把核酸的单体连接到一个已经存在的羟基上。所以细胞的DNA聚合酶要开始工作，就需要一种引发酶先用特殊手段合成一个RNA的开头，再跟在这段RNA后面复制后续的DNA。最后，那段RNA开头会被降解，于是，我们就遇到了图4—57里的大麻烦。
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[5]与前导链一样，这实际上需要引发酶先在局部的3’端制造一个RNA的开头——细胞的DNA聚合酶要工作都需要这个RNA的开头，实际上，这也是RNA世界假说的另一个佐证。
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[6]实际上，福泰尔在尤金·库宁的推测之后总结了另外两种推测，这两种推测都与病毒带来的基因转移有关，这里为了表述方便，就不再详细展开讨论，而直接融入下文的起源图景里。
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[7]在真核细胞内，DNA聚合酶α负责紧跟在引发酶制造的RNA开头之后，再聚合一小段DNA开头，然后把工作转交给DNA聚合酶δ和DNA聚合酶ε；DNA聚合酶ε主要负责聚合前导链；DNA聚合酶δ主要负责聚合后随链，同时负责补全DNA上的缺口。
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[8]严格地说，这里应该表述成“氧化态的铁氧还蛋白”，也就是失去了电子的铁氧还蛋白，具有氧化性。与之相对应，将来拿到电子的铁氧还蛋白就是“还原态的铁氧还蛋白”，具有还原性。但是为了表述方便，这里没有区分两种状态的铁氧还蛋白。同样，我们可以把氢分子看作还原态的氢，具有还原性，把氢离子看作氧化态的氢，具有氧化性。
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[9]这句话里的“核黄素”是指“得到了电子的核黄素”，也就是还原态的核黄素。与上一个脚注一样，不做这些区分是为了避免出现这样一段绕口令：如果氧化态的铁氧还蛋白夺走了还原态核黄素的电子，还原态的核黄素就会重新变成氧化态的核黄素，而氧化态的核黄素的氧化性要比氧化态的铁氧还蛋白更高，更能吸引电子，所以氧化态的铁氧还蛋白不能氧化还原态的核黄素。
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[10]有些熟悉有机化学的读者会发现异二硫辅酶需要接受两个电子才能被还原，事实也的确如此。不过，古菌的异二硫还原酶每次只还原其中一个硫原子，所以1分子异二硫还原酶能接受两轮电子分歧，这里的274单位能量和86单位能量都是两轮电子分歧的总和。
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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？ 终章梦境与星空
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格列佛·跃升是我的名字，
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