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本期要为你解读的书是复杂生命的起源
顾名思义
这是一本探究地球生命起源的著作
我们都知道
地球是目前已知的唯一有生命存在的星球
生命从无到有
从简单到复杂
是一个漫长而奇妙的过程
而阅读这本书
就像是一场探秘之旅
我们在中学时代都学过
组成生命的基本单元是细胞
细胞分为原核细胞和真核细胞
原核细胞没有细胞核
而真核细胞有细胞核
地球上的生命也由此划分为原核生物和真核生物
原核生物包括细菌和骨菌
而真核生物则包括所有的动物
植物
真菌和原生生物
书里面所说的复杂生命
就是指真核生物
地球诞生于大约四十五亿年前
而第一个原核细胞诞生于大约四十亿年前
从那之后
地球生命虽然逐渐遍布海洋和陆地
但生理上一直维持着非常简单的单细胞形态
直到大约二十亿年前
第一个真核细胞才出现在地球上
从那之后
复杂的多细胞生物
包括真菌
植物和动物才陆续出现
这种现象不禁引人思考
为什么在长达二十亿年的时间里
原核生物的复杂程度一直在原地踏步
没能进化出复杂生命
而真核细胞的横空出世
则开启了生命进化的新篇章
复杂生命的起源过于久远
以至于它就像一个未知的黑洞
隐藏着太多秘密
我们人类从哪里来
我们为什么会变老
为什么都会死去
这些问题的答案都隐藏在这个巨大的黑洞里
等着我们去探寻
这本书的作者尼克
莱恩是英国伦敦大学学院教授
专攻演化生物学和生物能量学
聚焦于生命的起源和复杂细胞的演化
因为在分子生物学研究上的卓越贡献
他于二零一五年荣获英国生物化学学会奖
此后又凭借在公众科学普及方面的成绩
荣获英国皇家协会迈克尔
法拉第奖章
他在这本复杂生命的起源里
基于一系列考古
演化分类和基因学证据
为我们论证了复杂生命诞生的最合理假说
精彩的还原了地球生命进化的历史篇章
接下来
我就分三个部分来为你解读书中的内容
第一
地球上最初的原核细胞是如何诞生的
为什么它们长时间无法演化出复杂生命
第二
为什么真核细胞的诞生来自一次偶然事件
第三
为什么复杂生命都存在衰老和死亡现象
首先
我们来聊聊地球上最初的原核细胞是如何诞生的
前面说过
地球诞生于大约四十五亿年前
而在这之后不久
地球就具备了诞生原始生命的环境条件
作者认为
地球生命最有可能诞生于深海海底能喷发出碱性热液的地方
它称之为喷口
在那里
从地幔裸露出来的炙热橄榄石和水发生反应
通过一系列化学转化
恰好能形成大量有机分子
而且碱性热液喷口特殊的构造
能持续不断
甚至是强迫性的为原始细胞注入生命所需的能量
喷口就像是一个育婴房
在漫长的演化过程中
这些原始细胞逐渐形成了完整的细胞膜
拥有了可复制的遗传物质
最终具备了自主进行能量代谢的能力
能量是一切生命活动的根本前提
有了能量自给自足的本领
原始生命才能离开碱性热液喷口
进入无边的海洋中闯荡
但是
这一刻的到来
也把生命第一次带到演化的十字路口
第一群从喷口中走出的细胞
是今天所有地球生命的共同祖先
在进入新的生存环境之后
他们的后代根据产生能量的化学方式的不同
选择了两条截然不同的发展路径
之后分别形成了细菌和古菌两大类生物
细菌和骨菌共同组成了原核生物
它们从形态上几乎看不出什么区别
都没有成型的细胞核
个头大小也差不多
但他们之间其实只是特别远的远房亲戚
因为他们在遗传基因和生物化学机制上有着根本性的不同
毫不夸张的说
细菌和古菌之间的差异
与人类和细菌之间的差异一样大
不过
虽然亲缘关系很远
但细菌和古菌在演化过程中都表现出了极强的韧性和创造力
在几十亿年的时间里
细菌和古菌陆续探索出了获取能量的各种可能形式
它们可以从有机物
阳光
甚至是对人类来说有剧毒的无机物当中获得能量
它们的代谢多样性极其丰富
相比之下
真核细胞的代谢类型则非常单一
甚至单独一个细菌的代谢多样性就能超过所有真核细胞生物的总和
在代谢多元的基础上
细菌和古菌的生理形态和生存方式更是无比丰富
我们都知道
动物有很丰富的生理多样性
天上飞的
地上跑的
水里游的
土里酸呢
动物至今只在地球上存在了六亿多年
就已经有了这么多的形态
而原核生物在诞生后的二十亿年时间里
很可能早已把所有的进化方式都尝试了一遍
非常奇怪的是
虽然形态各异
生存方式各异
但原核生物的生理构造从来都没有往复杂化迈进
甚至没有演化出多细胞形态
一直都在以单细胞形态生存
从细胞体积来看
真核生物细胞的平均体积能达到原核生物细胞的一万五千倍以上
从基因组容量方面来看
差异依然巨大
目前已知最大的细菌
基因组长度大约有一千两百万对碱基
而人类的基因组长度则能达到三十亿对碱基
还有一些真核细胞的基因组长度超过了一千亿对碱基
与真核细胞相比啊
原核细胞就是一群小不点
这就很奇怪了
为什么经过了四十亿年的演化
直到今天
细菌和骨菌的生理构造依然如此简单
各项指标都和真核细胞有着指数级的差别呢
就像刚才说的
在几十亿年的时间里
原核生物早就应该充分发挥了进化的创造力
如果可以进化的更加精密复杂
那早就应该往复杂化进化了
所以
对这种现象唯一合理的解释是
肯定有某种内在的物理限制条件
制约了原核生物的演化方向
让它们无法演化成复杂生命
其实不是原核生物不想
而是做不到
但这个限制在真核生物身上不知为何被解除了
所以真核生物才有可能进化的很复杂
好
现在我们接近了一个核心问题
那就是
到底是什么条件限制了原核生物向复杂生命的演进
很长时间以来
科学家们有各种各样的假说
但这些假说要么是抓住表象不放
要么是无法解释普遍情况
都不能从根本上回答这一切
而本书作者在研究中发现
问题的关键其实不是别的
而是能量
具体的说
就是真核生物平均每个基因能够获得的能量
远远超过原核生物
甚至高达后者的十万倍以上
这个数字是如何得出来的呢
简单的说
是通过两者的体积
呼吸频率
每秒钟消耗的氧气和生成的能量等指标推算出来的
详细的论证过程
如果你有兴趣的话
可以找原书来看
总而言之
作者认为
原核细胞和真核细胞的本质性差异不是别的
而是能量等级上的天差地别
所以即便过了四十亿年
直到今天
原核细胞都一直无法在复杂性上有任何突破
因为能量水平很低
所以原核细胞从来都没有机会演化出复杂结构
而只有真核细胞做到了这一点
但这时候问题又来了
既然真核细胞能量水平这么高
那么为什么原核细胞在诞生后的二十一年时间里
都一直没有向真核细胞的方向演化呢
作者认为
这是因为真核细胞不是原核细胞通过常规演化途径得来的
它的来源极其特殊
接下来我们就讨论一下这个问题
为什么说真核细胞的诞生来自一次偶然事件
先出现的原核细胞结构简单
后出现的真核细胞结构复杂
按理来说
最合理的情况应该是渐进演化
就是说原核细胞逐渐进化出越来越复杂的结构
最终变成真核细胞
类似于长颈鹿的祖先在进化时脖子一代比一代长
最终进化出今天拥有超长脖子的长颈鹿
但我们刚才已经说过了
在真核细胞诞生前的二十一年时间里
原核细胞从没有在复杂程度上有任何突破
这完全不符合渐进演化的逻辑
而且直到今天
我们依然没有发现原核细胞往复杂化迈进的迹象
科学家们还发现
现在所有的真核生物都有基本相同的细胞结构
比如都有复杂的内膜结构
都有能变形的动态细胞骨架
都有沿着细胞骨架运送物质的马达蛋白
都有线粒体
溶酶体
过氧化物酶体和相同的生物化学信号系统
而且大多都是有性生殖
从结构上说
所有真核生物的细胞都实在是太像了
而细菌呢
虽然有的细菌有内膜结构
有的细菌有细胞骨架
有的还有和真核细胞一样的巨大尺寸
但细菌总是浅尝辄止
远远赶不上真核细胞的复杂程度
而且啊
这些复杂特征也极少以组合的形式出现在同一个细菌细胞上
可以说
原核生物和真核生物之间
不存在中间过渡形态
自然界中的细胞
要么是结构原始
体积微小的原核细胞
要么就是结构复杂
高度完善的真核细胞
而且
所有真核细胞都有大量相同的关键基因
这些关键基因只存在于真核细胞体内
从没在原核细胞身上出现过
嗯
对这些现象有没有什么好的解释呢
有
最好的解释就是啊
真核细胞在历史上只诞生过一次
所有的真核细胞都进化自一个共同的祖先
这个祖先出现时
就已经拥有了完善复杂的结构
并把这些特征遗传给了它的所有后代
所以今天的真核细胞才可能有那么多相似之处
在四十亿年的时间里
真核细胞只成功的演化过一次
这足以证明这是一次极其罕见的偶然事件
那这到底是怎么发生的呢
通过分析对比真核生物
细菌和古菌的基因型
科学家们发现
真核生物有多达三分之一的基因可以在原核生物体内找到对应的相同基因
这些基因被称为同源基因
证明了真核生物和原核生物曾经有相同的源头祖先
但有趣的地方是
这些同源基因中
有大约四分之三来自细菌
另外四分之一来自古菌
这就很奇怪了
真核生物继承了两大类原核生物的基因
而且还不是零星继承几个
而是大规模的继承大量基因
另外
原核生物也不会进行有性生殖
所以真核细胞肯定不是古菌和细菌交配的产物
所以作者认为
对此最合理的解释就是
真核细胞来自古菌和细菌之间的一次内共生事件
大量基因学证据也为这个猜想提供了支持
通过对比分析基因
科学家们逐渐确定了真核细胞诞生的来龙去脉
那就是大约二十亿年前
一个古菌意外的把一个细菌吸收进了体内
二者之间极其罕见的形成了默契的共生关系
经过适应和配合
细菌逐渐演化成了专门负责产生能量的细胞器线粒体
而作为宿主的古菌在获得线粒体源源不断的能量供给之后
逐渐演化成了今天的真核细胞
内共生假说非常符合我们现在的一系列生物学证据
而且能完美的解释很多重要问题
首先
能解释为什么真核细胞的诞生只出现过一次
原因是原核细胞没有吞噬功能
所以一个细菌进入一个古菌体内生存
本身就是一件概率极低的事件
而且
就算真的偶然形成了内共生
宿主细胞和共生细胞之间也会发生激烈的冲突
因为二者本来就不应该生存在一起
但现在
他们不得不适应彼此的存在
所以哪怕有一丝一毫的不协调
这个共生体也难以生存下去
作者在书中举了大量例子
都证明细菌和古菌之间的内供生几乎就是一件不可能发生的事儿
但凑巧的是
二十亿年前
他真的发生了一次
其次
内供生假说还能解释线粒体含有基因的现象
作者指出
所有真核细胞体内都有线粒体
而线粒体作为一个细胞器
其内部也含有一小群基因
因为真核细胞的基因都在细胞核里
细胞核外
只有线粒体和叶绿体含有自己的基因
叶绿体只存在于植物细胞内
所以我们在这里不讨论
那奇怪的是
为什么唯独线粒体会拥有自己的基因
而其他细胞器都没有呢
在内共生假说的设定下
线粒体含有基因就顺理成章了
寄生在谷菌体内的细菌在演化过程中逐渐退化成线粒体
体内的绝大多数基因都逐渐整合到谷菌的基因组里
最后形成细胞核
而还有少量的基因对维持线粒体的功能极其重要
所以就留在了线粒体内部
最后
内共生假说还能为真核细胞的复杂演化提供合理依据
刚才我们论证了
原核细胞受制于能量条件而无法演化的更加复杂
它们甚至也不能变得更大
因为所有能量反应都要在细胞膜上进行
细胞膜表面积要是变大的话
细胞的体积和消耗能量的速度会增加的更快
原核细胞已经很穷了
要让它变大
那它只会变得越来越穷
所以原核细胞就只能维持着又小又简单的形态
但真核细胞体内可以有大量线粒体
每个线粒体就像一个小发电站
为真核细胞提供大量能量
比如人的肝脏细胞
每个细胞里就有多达一千万个线粒体
这么庞大的能量来源
把原核细胞衬托的特别寒酸
而且就像我们刚才说的
线粒体已经把自己的结构最大幅度的精简化
原本细菌体内的几千个基因
在线粒体内部已经简化成十几个
所以线粒体就能消耗尽可能少的资源
维持尽可能高的产能效率
有了线粒体源源不绝的能量支持
真核细胞才有了向复杂化演进的本钱
一次偶然的内共生事件
造就了真核细胞
也赋予了真核细胞很多新的生理特征
包括衰老和死亡
长久以来
科学家们一直在研究衰老和死亡背后的生理机制
而作者认为
这种机制和内共生事件也有着密切关系
所以
最后一部分
我们就来聊聊为什么复杂生命都存在衰老和死亡的现象
原核生物并不需要面对自然的衰老和死亡
因为所有原核生物都奉行无性生殖
也就是细胞一分为二
所以理论上
单细胞的原核生物可以生生不息
永远不死
但真核生物都进行有性生殖
也就是说
亲代个体只为后代提供精子和卵子
他们自身总是会逐渐衰老
最终走向死亡
那到底是什么机制在控制衰老和死亡呢
作者认为
根源还是出在线粒体上
我们刚才说了
线粒体内部也有少量基因
这些基因要想发挥功能
需要和细胞合理的基因密切配合
如果发生了基因突变
两套基因的配合不太默契
就会制造出性能不佳的呼吸蛋白
线粒体通过呼吸作用来释放细胞所需的能量
而呼吸作用会产生电子
一般情况下
电子是比较老实的
会在线粒体内正常流动
但性能不佳的呼吸蛋白会阻碍呼吸作用的流畅运行
让电子在线粒体内部大量聚集
这时候啊
不老实的电子就开始把氧气转化成带负电荷的自由基
自由基的活性很强
破坏性也很大
能损坏细胞里的蛋白质
引起DNA突变
所以对细胞来说
自由基的出现是一种预警
显示着目前线粒体的功能存在缺陷
细胞的能量供给出现了问题
对此
细胞的正常反应是赶快合成新的线粒体
加快呼吸作用
但如果细胞核和线粒体的基因组配合不够默契
那合成的线粒体越多
从线粒体里泄露的自由基也就越多
面对更多的自由基
细胞有两种反应
第一种反应是细胞凋亡
过多的自由基会杀死比较敏感的细胞
如果这个细胞凋亡之后
有新的细胞顶替它的功能
那一切都没有问题
但如果死掉的细胞没有接班人
比如心肌细胞
那原有的组织就会逐渐流失
留下的细胞更少了
让工作压力没有减轻
这就会促使细胞的基因活性发生变化
让细胞逐渐衰有
另一种反应是
细胞对自由基的忍耐程度比较高
所以还能勉强活着
线粒体虽然也有缺陷
但也能凑合应付工作
但在自由基的长期摧残下
细胞会不断累积各种突变
最终引发慢性发炎和生长因子失调
甚至导致癌症
这也是细胞衰老的表现
微观层面的变化
也会影响生物在宏观层面的表现
比如对人类来说
随着年龄的增大
线粒体和细胞核的基因不断发生突变
线粒体的能量效率越来越低
泄露的自由基越来越多
细胞开始大量死亡和老化
人体的组织功能就会在几十年的时间里慢慢衰退
逐渐低于执行正常功能的最低需求
甚至是连静态的生存都没办法维持
最终有一天会迎来死亡
所有的复杂生命都由真核细胞构成
他们在享受线粒体带来能量的同时
也承担着衰老和死亡的相应代价
不过
个体面对死亡时虽然并不情愿
但复杂生命却可以通过有性生殖的方式繁衍后代
保证自身基因的薪火相传
从种群的角度来看
衰老和死亡只是一种正常的生理现象
只要不阻碍基因的传承
个体的死亡无足轻重
是完全可以接受的
不过
虽然衰老和死亡不可避免
但不同生物衰老的速度并不一样
比如老鼠和鸽子
体型大小虽然比较接近
但寿命长度差别巨大
老鼠一般只能存活三到四年
鸽子的寿命却可以超过三十年
这又是为什么呢
现在假设你是一只鸽子
那为了飞翔
你必须拥有一对强有力的翅膀
实际上
如果以单位体重比较的话
鸽子的输出功率能达到全速奔跑猎豹的两倍
所就要求鸽子必须有十分强大的肌肉
线粒体要能释放出足够的能量
因为肌肉细胞里还要有大量肌肉纤维和毛细血管
线粒体的数量不能无限制增加
所以鸟类的应对方式是进化出超能线粒体
这种线粒体制造能量的效率更高
但同时也要求细胞和基因和线粒体基因配合的也要足够默契
任何配合不够完美的细胞都会因为没法满足鸟类的生存需求而被淘汰
所以进化的结果就是
鸟类细胞对自由基的耐受程度很低
稍有自由基泄露就会启动凋亡程序
而老鼠不需要飞行
没有必要像鸽子一样有强大的肌肉
所以线粒体的工作稍有磕绊也能接受
细胞对自由基的耐受程度也比较高
打个比方
就是因为生存要求不同
自然选择的压力不同
所以老鼠细胞的残次品比较多
经常泄露自由基
而鸽子的细胞都是精挑细选的优等品
很少泄露自由基
我们都知道
质量越好的东西用的越久
鸽子细胞的质量更好
所以耐久度就更高
活的就更长
而老鼠细胞的质量要差很多
经常泄露自由基
在这种情况下
老鼠衰老的就更快
存活的寿命也就更短
不过有趣的是啊
大自然在关上一扇门时
总会开启一扇窗
老鼠虽然寿命短
但因为对细胞的质量要求不高
所以繁衍的后代数量也远高于鸽子
可以说啊
每种生物都在以自己的方式适应着自然
好
我们来总结一下本期音频的内容
我们讨论了原核生物一直没能进化出复杂生命
是因为它们受到生物能量的严格限制
而一次极其偶然的古菌和细菌之间的内共生事件
让细胞获得了线粒体
打破了能量的滞库
才让复杂生命的出现成为了可能
同时
复杂生物的衰老和死亡现象
也能从线粒体的运行机制上得到强有力的解释
关于我们人类从哪里来
既是一个经典的哲学命题
也是一个复杂的生物学命题
哲学层面的思辨永远没有尽头
但生物学方面的探究却已经为我们指明了答案
那就是
我们来自一次次偶然的意外
地球偶然具有了产生生命的条件
生命偶然从深海中诞生
真核细胞偶然来自一次内共生事件
人类则偶然来自一条正确的进化路径
可以说
是偶然造就了我们今天的一切
同时
这么多偶然的巧合
也能帮助我们思考宇宙中复杂生命的存在状况
在地球几十亿年的生命史中
原核生物一直在不断演化
但始终没能突破复杂性的限制
如果不是一次极其偶然的内共生事件
直到今天
地球可能都还在被原核细胞统治着
一个顺理成章的推断是
宇宙中的复杂生命很罕见
自然其实从来就没打算让人类或者其他复杂生命出现
所以即便未来在其他星球发现生命体
他们很可能也只是停留在细菌那种简单水平
因此
可以说啊
我们是极其幸运的
无论是地球生命的诞生
还是人类群体的崛起
都是独一无二的宇宙奇迹