生命来自哪里?为何它与岩石等无机物有着相同的原子构成?生命又是如何由单细胞生物发展成如今超级复杂的多细胞生物?带着这些疑问跟随作者尼克.莱恩进行一场科学探案,排除各种不可能情况后,让真相浮出水面,而最终的发现颠覆了我的世界观。
沿着原始生命物质、能量构成的线索,在远古地球寻找生命诞生之地,最终将目光锁定在了深海碱性热液喷口,那里提供了生命起源需要的所有条件——大量的碳和能量流入,无机催化剂,溶解了的氢气,环境结构赋予的天然质子梯度,可供化学渗透的如矿化海绵一样的沉积岩微孔,还有时间,热液喷口的寿命长达几千年以上,对于诞生生命的化学反应来说,这么长的时间足够了。
最初的生命是借助环境的化学渗透偶联从无到有创生出来的,后来反向转运蛋白的出现相当于在已有的质子梯度上又叠加了一个钠离子梯度。这为细胞带来了更多能量,使之可以更快地生长和复制,并让细胞能在更弱的天然质子梯度环境下继续生存,更重要的是,它驱动了质子泵和现代脂质细胞膜的演化,最终使细胞可以切断连接天然质子梯度的纽带,离开热液喷口,去外面广阔而又空旷的世界发展。
这里提到的化学渗透偶联和质子梯度是所有已知生命获取能量的方式,尼克.莱恩甚至分析认为化学渗透偶联应该是宇宙中所有生命共有的特征。他的研究围绕生命能量展开,研究结果印证了他的观点——生命演化严格遵循着能量守恒的原则。
在对生物基因的研究中,科学家们发现复杂的真核生物起源于简单的原核生物,但在这两大类生物之间是一条鸿沟、一团虚无、一片真空,不存在过度的中间型。这一谜团困扰了科学家很长时间。尼克.莱恩在比尔.马丁提出的“古菌内共生”理论的基础上进行研究,引入生物能量分析。计算得出,真核生物平均每个基因的能量,高达原核生物的200,000倍。20万倍的能量差距!终于,人们发现了两种生物之间的巨大鸿沟,这道深渊精辟地解释了为什么细菌和古菌一直没能演化出真核生物的复杂度。
那真核生物是如何做到指数级能量提升的?这得归功于一次极其罕见的古菌内共生事件,15亿年前,一个细菌意外进入一个古菌细胞内,并成功存活,形成共生体。细菌在古菌体内演化丢掉了99%的基因退化为线粒体,成为高效能量发电机,而这样的能量发电机真核生物每个细胞中有几十到几百个。这就是真核生物能量剧增的秘诀。
而此次内共生给真核生物带来的,绝不只是能量的提升,未来的物种分化、两性模式、生命的疾病和死亡都与内共生有关!
关键的关键!内共生为了优化能量机制,线粒体将原有的参与呼吸作用的大部分基因存入细胞核中。而呼吸作用需要线粒体基因与细胞核基因的完美协作。随着两部分基因的分别演化,特别是线粒体基因的加速演化,致使不同生物间产生了生殖隔离,主要体现在线粒体基因与核基因的无法协作,由此产生了物种分化。而地球早年的海洋充氧事件,加剧了这种分化,于是有了我们熟知的寒武纪生物大爆发。
同样是因为内共生的缘故,不同类型的线粒体在新生命体中无法共存,会形成激烈的竞争,而有性生殖对维持大型基因组中个体基因的正常运作又是必需的,这导致核基因与线粒体基因的演化方式完全不同。核基因每一代都会在有性生殖过程中发生基因重组,而线粒体基因是母系单亲遗传。母系特化出大而不会移动的卵细胞,提供线粒体(以人类来说约有十万个),父系则特化出小而可动的精细胞,并将线粒体从中排除。
还是因为内共生的缘故,为了保证生命能量的供给,在生命繁育之初,自然选择就会对“线粒体—核”基因的匹配度(有氧代谢能力)进行严格的筛选。对于需要飞行、有氧代谢率特别高的鸟类,筛选的标准会非常严苛,直接拉低了其生育力,而对于代谢率不高的生物,筛选标准宽松了许多,生育力也明显提高,但代价是疾病和寿命期减少。自然选择就在有氧代谢能力、生育力、健康与长寿之间进行权衡。
就像尼克.莱恩认为的那样,生命一直在围绕着能量演变,创生之初她就是由能量流激发的,能量在细胞中的流动也标志着生命的存续。正如艾伯特·圣哲尔吉所说“ 生命不过是一个电子寻找归宿的过程。”
我们的头脑,宇宙中最不可思议的生物机器,被永恒的能量之流驱动,现在可以思考自身,追问生命为什么会是这样。这又是演化中何等的幸运!愿质子动力与你我同在!