決定生命命運的四個「瞬間」

2023-04-01 18:31:18

▲各個時代的化石都分布在美國大峽谷的地層中，底部的巖石可以追溯到20億年前。照片/生命的進化

微小的變化決定偉大的命運。

生命的著陸、恐龍的滅絕和鳥類的飛行，這些經常出現在紀錄片中並讓人興奮的大場面，實際上是40億年漫長進化史中的小插曲。

一點一點的變化使得今天多樣化的生活成為可能。決定性的時刻並沒有降臨，而是無聲的一擊。

光合作用:從滅絕中重生

40億年前，地球環境似乎是一個煉獄:到處都是火山爆發，空氣中瀰漫著刺鼻的氣味。這時，地球的大氣層中，主要成分是氫、一氧化碳、氨和甲烷，氧很少，也許沒有，也沒有臭氧層。

地球上的第一批居民完全是厭氧微生物(畢竟，環境中沒有氧氣)。他們吃在原始海洋中積累了數百萬年的各種碳化合物，並產生甲烷作為副產品。類似的細菌今天仍然存在。產甲烷菌以乙酸為原料合成生命所需的有機物和能量，然後排出甲烷和水。

▲美國黃石國家公園的溫泉。由於細菌的存在，它的水是多彩的。這種環境與原始地球相似。照片/生命的進化

大約35億年前，細菌進化了利用陽光的能力。他們需要的原材料之一是硫化氫，它是由火山爆發產生的。這種光合作用被稱為厭氧光合作用，最終產物是硫、有機物和水。我們熟悉的植物光合作用叫做有氧光合作用。它用水代替硫化氫作為氫離子的來源，最終產品也從硫變成氧。

為什麼細菌最初選擇硫化氫而不是水作為氫的來源？因為他們很懶！與水相比，硫化氫中的氫原子很容易被剝離(氧化)，而且眾所周知，水很難分解。關於電解水能耗的思考。

西澳大利亞海岸的藍細菌生長出殘留的疊層石骨骼。這些藍細菌是最早的有氧光合作用使用者。照片/「英國廣播公司:地球上的生命」

然而，隨著地質活動的逐漸穩定和地下來源硫化氫的減少，25億年前，面對糧食短缺危機，產氧光合作用終於誕生了。然而，它的產物氧氣對當時佔地球絕大多數的厭氧菌來說是一種致命的毒氣。

在接下來的1億年裡，產氧光合細菌本著龔宇移山的精神，不斷向地球大氣層注入氧氣。數量上的變化慢慢帶來了質量上的變化。地球歷史上第一次大規模滅絕——大規模氧化事件發生了。從那時起，低效且生長緩慢的厭氧生物就成了藏在角落裡的棄兒，地球也為更高效的好氧生物搭建了舞臺。

▲當地球上新產生氧氣時，地球上的大量亞鐵將在澳大利亞克倫尼國家公園的帶狀鐵層中被氧化成三價鐵。他們在這層上的標記是鐵層。圖/維基百科

從大規模氧化事件中倖存下來的生物體開始有氧代謝。這一突破性的進化極大地增加了生物體可獲得的自由能量，使得未來的生物多樣性成為可能。

內共生:共生與共贏

原始生命現在廣泛分布在我們周圍，如我們手中的細菌，如特殊環境中的古細菌(如厭氧甲烷細菌)。

這些生命形式被稱為原核生物。他們每個人都是一個單人牢房，也就是說，一個人吃飽了，全家人都不餓。

原核生物的細胞內部就像一個沒有隔板的大開放空間。遺傳物質浸泡在細胞液中，除了產生蛋白質的核糖體外，沒有其他種類的細胞器(細胞中的器官)。無論是利用陽光的光合作用，還是「消化營養」的化學反應，都是在細胞膜上進行的。

▲原核細菌細胞示意圖。它們的遺傳物質沒有被膜包裹，細胞器只是核糖體，而質粒是自由的遺傳物質。圖/維基百科

原核細胞結構簡單，分裂迅速，因此幾十億年來一直代代相傳。然而，過於簡單的結構也會帶來一個問題:變得更大更強的夢想變得不現實。

例如，如果原核細胞想通過增加4倍的膜面積獲得更多的能量，那麼它的體積將增加8倍。增加的體積需要更多的能量供應，所以細胞越大，這個項目弊大於利。

直到大約30億年前，一場事故解決了這個難題。一個古細菌吞下了另一個需氧細菌，但沒有消化它。相反，它被保存在食物液泡中。需氧細菌在食物液泡中生長和分裂，並隨著古細菌的分裂傳播給後代。漸漸地，好氧細菌放棄了它們的大部分基因和功能，把精力集中在重大問題上，全力為古細菌產生能量。因此，需氧細菌成為生產力報告的細胞器——線粒體。

▲透射電鏡下，哺乳動物肺組織中兩個線粒體的膜結構清晰可見。圖/維基百科

線粒體是原核生物變得更大更強的終極武器。從那以後，他們有了資本來發展、分化和釋放新的技能，其中之一就是用膜包裹染色體，成為真核生物。大約幾億年後，一種藍藻以類似的方式被吞噬和同化，葉綠體誕生了。

在寒冷地區的苔蘚細胞中可以看到葉綠體。圖/維基百科

科學家稱一個人生活在另一個人的這種情況為內共生現象。今天，我們用肉眼看到的奇妙世界來自歷史上這兩種奇妙的結合。

有性生殖:進化的加速器

起初，所有的生活都是「單親家庭」。生命本身分裂了，一個變成了兩個，兩個變成了四個。家庭成員的數量呈指數級增長。這種方法被稱為無性繁殖，節省時間和精力。

然而，在地球上已知的數百萬生物中，採用有性生殖的物種佔絕對多數，而採用無性生殖的物種僅佔總物種的1%-2%。我們最常見的有性生殖是精子(雄性配子)和卵子(雌性配子)的結合。與無性繁殖相比，這一過程既消耗能量又耗時，可謂「奢侈」。真奇怪。為什麼大多數生物不選擇更簡單、更方便的無性繁殖？

▲蟾蜍及其長卵帶。照片/生命的進化

因為只有通過有性生殖，更多的物種才能進化得更快、更多樣化。

有性生殖保證了大量的基因重組，其遺傳多樣性的潛力幾乎是無窮無盡的。遺傳多樣性是父母為應對不可預測的環境變化而下的「賭注」，他們的後代可能會更好地適應新環境，走出不尋常的道路。

在無性生殖時代，生命進化的速度極其緩慢。他們花了30億年，仍然停留在一個簡單和小的水平。有性生殖的出現大大加快了生命進化的步伐。在接下來的10億年裡，生命將變得更大更強，然後降落並升天。

▲孟德爾，對基因重組研究做出突出貢獻的科學家。圖/維基百科

在進化的過程中，基因突變是隨機的、有害的。在少數勝利者的背後，有無數死去的靈魂。然而，有性生殖的物種，以其豐富的多樣性和強大的適應性，經受了許多自然劇變，直到今天。

當然，神奇的有性生殖不會在一夜之間發生。眾所周知，精子和卵子的結合已經是最成熟的有性生殖方法。對於原始細菌來說，它們的小身體無法完成如此複雜的任務。

最初的有性生殖不是由細菌本身進行的，而是由溶源性噬菌體進行的。在侵入宿主細胞後，噬菌體將整合宿主染色體上的遺傳物質，並與宿主一起複製和分裂，而不損傷宿主。

▲一種典型的薄體上有「頭」的噬菌體結構。這是它的蛋白質外殼，包裹著捲曲的基因組。身體下面是一個蜘蛛樣的「腳」，它是用來吸附和識別宿主細胞表面相應受體的部分。設計/周三010101，材料來源/拇指，創意

當噬菌體即將離開宿主時，少量細菌基因可能被錯誤地包裝到噬菌體的後代中，並被轉導到具有新感染的其他細菌中。這種事件發生的概率極低，每百萬個噬菌體中只有一例。

就像月球探測器降落在月球上一樣，噬菌體也降落在宿主細菌的表面。接下來，噬菌體將在細菌表面鑽一個洞，並將它的DNA注入細菌細胞。最後，它會以致命的方式從宿主體內釋放出來。設計/周三010101，材料來源/VCG

然而，溶源性噬菌體在離開細菌時仍然需要殺死細菌才能釋放出來。這種基因交換效應不僅不穩定，而且是致命的...因此，細菌需要找到一種非「慢性自殺」的方式來完成基因重組。這項任務落在質粒上。

質粒是一種沒有染色體的遺傳物質。它也可以被複製和表達。1946年，美國科學家利德伯格和他的夥伴塔圖姆發現原核生物大腸桿菌可以通過轉移質粒來完成有性生殖。

▲電子顯微鏡下的大腸桿菌。圖/維基百科

一些帶有所謂「f質粒」的「雄性」大腸桿菌可以通過鞭毛與沒有這種質粒的「雌性」大腸桿菌的細胞壁融合，然後轉移複製的質粒。當然，這樣做的結果不僅是完成基因交換，而且是改變大腸桿菌的性別。

後來，一些更複雜的單細胞生物，如草履蟲，發展了一種通過直接融合細胞壁來交換遺傳物質的方法。有性生殖的模式在不斷地變化和創新，直到雌雄配子的最終策略出現。

毛白楊的雄花序類似於毛毛蟲，在風的作用下散播花粉，即雄配子。圖/獲取頁面。

程序性死亡:個人犧牲

死亡是我們必須面對的最終目的地嗎？不久前，科學家們這樣認為。

但事實上，在生命的開始，死亡的概念並不存在。當然，我們在這裡討論的不是諸如被吃掉、燙傷或壓扁等外部因素導致的死亡，而是由內部基因控制的程序性死亡。

▲顯微鏡下不斷分裂的細菌。圖/維基媒體

程序性死亡是指當某些內部或外部條件發生變化時，細胞會啟動自我毀滅的過程，簡單來說就是自殺。

對於程序性死亡發生的時間和原因，學術界還沒有明確的結論。然而，我們知道這是原核和真核細胞都擁有的技能。

一種觀點認為程序性死亡源於細胞懶得修復太多的遺傳錯誤。例如，當酵母分裂時，它會把全新的基因留給它的「真正的身體」，把舊的基因留給它的「身體替身」，這種基因會一代一代地傳下去，而且在40多代之後，經常會死於過多的垃圾。這種死亡不是功能喪失，而是自殺，因為當人類敲除酵母的RAS2和SCH9兩個基因時，發現它們的壽命完全延長了10倍！