• 生命起源

生命起源

芝加哥大学的Stanley Miller和Harold Urey于1953年在几只玻璃瓶里注入了甲烷、氨气、氢气和水，然后用电极制造人工闪电，模仿生命出现之前的地球环境。一个星期之后，玻璃瓶里检测出了单糖、脂类和氨基酸等有机化合物，说明有机物完全可以在地球环境中自发产生，不需要借助上帝之手。

Stanley Miller，1930～2007，美国化学家。UCB本科（1951）+University of Chicago博士（1954）。UCSD教授。美国科学院院士。Harold Urey的学生。

Harold Clayton Urey，1893~1981，美国化学家、物理学家。University of Montana本科（1917）+UCB博士（1923）。Columbia University、University of Chicago教授。参与曼哈顿计划，负责铀235和铀238分离。诺贝尔化学奖得主（1934）。

Peter Mitchell是少数几个具有大局观的科学家，他意识到生命和其所处的环境是密不可分的，两者必须结合起来加以研究。他发现ATP分子是靠细胞膜两侧的电压差来充电的（1961）。这个理论听上去太反常识了，人们不相信生命竟然会用如此之笨的办法来为细胞活动提供能量。

Peter Mitchell，1920～1992，英国生化学家。Cambridge博士（1951），Edinburgh University教授。诺贝尔化学奖得主（1978）。

不过，在另一些人看来，生命之所以采取了这种奇怪的方式生产ATP，只能说明一个问题，那就是地球上最早的那个生命就是用的这个方法。要知道，能量供应对于生命而言实在是太重要了，一刻也不能停，所以此后的所有生命形式只能继续沿用这一方式，没有任何试错的余地，也就无法进化出更合理或者更高效的方法。

换句话说，地球生命很可能起源于一个具有天然质子浓度梯度的地方。

1988年，一位名叫麦克尔·拉塞尔（Michael Russell）的美国地质学家在《自然》杂志上发表了一篇简短的读者来信，首次提出“碱性热液喷口”（Alkaline Hydrothermal Vent）才是真正的生命发源地。

值得一提的是，除了质子浓度梯度之外，还有一个原始性状被保留了下来，这就是催化剂。绝大部分新陈代谢所需的最重要的酶的核心结构都是在蛋白质外壳包裹下的硫化铁，后者正是这些酶的催化反应中心，这说明新陈代谢所需的催化剂一直就是硫化铁，只不过现在以酶的形式存在而已。

综上，细胞膜是有可能在天然环境下自发产生的，于是一些脂肪酸自发聚集在一起，形成了细胞膜，代替了岩石缝隙所起到的隔离作用，成为细胞微环境和海洋大环境之间的分界，质子梯度则继续为细胞膜两侧提供电压差。

之后，某些进化出质子泵的微环境逐渐脱离海底烟囱的束缚，释放到海洋中，它们就是原始细胞的雏形。因为这些质子泵的存在，这些原始细胞不再需要海底热液了，它们可以从环境中吸收有机物作为燃料，自己为自己构建质子浓度梯度，继续为ATP充电。

最早的遗传物质是RNA，它既可以负责为蛋白质编码，又可以担任酶的角色，自己复制自己。就这样，生命又进化出了基本的遗传结构，可以把大自然的创新记录下来并传播下去。

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地球上究竟有几种生命形式？当亚里士多德建立生物学时，他用二分法则将生物分为动物和植物。显微镜的诞生使人们发现了肉眼看不见的细菌。

细菌在细胞结构上与动植物的最根本差别是，动植物细胞内有细胞核，遗传物质DNA主要储存于此，而细菌则没有细胞核，DNA游离于细胞质中。

由于动物与植物的差别小于它们与细菌的差别，沙东（E. Chatton）于1937年提出了生物界新的二分法则，即生物分为含细胞核的真核生物和不含细胞核的原核生物。动植物属于真核生物，而细菌属于原核生物。

1859年达尔文发表《物种起源》以后，生物学家便开始建立基于进化关系而非表型相似性的分类系统，即所谓系统发育分类系统。

1970年代，随着分子生物学的发展，C.R.Woese发现原先被认为是细菌的甲烷球菌代表着一种既不同于真核生物，也不同于细菌的生命形式。考虑到甲烷球菌的生活环境可能与生命诞生时地球上的自然环境相似，伍斯将这类生物称为古细菌。据此，Woese于1977年提出，生物可分为三大类群，即真核生物、真细菌（Bacteria）和古细菌（Archaea）。

詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）属于古生菌，该菌发现于1982年。生活在2600m深、260个标准大气压（\(2.6×10^7\)Pa）、94℃的海底火山口附近。1996年由美国基因组研究所（The Institute for Genomic Research,TIGR）和其他5个单位共40人联合完成了该菌的基因组全测序工作。这是完成的第一个古生菌和自养型生物的基因组序列。根据对该菌全基因组序列的分析结果，完全证实了1977年由Woese等人提出的三界域学说。

细菌和古细菌都是没有性的，它们全都可以独立完成繁殖任务，与之相反，所有真核生物（Eukaryotes）都是有性的。

第一个真核细胞是在20亿年前出现的，在此之前原核生物统治了地球长达20亿年之久。

当细胞变得越来越大时，单位体积所能分到的表面积就会越来越少，而ATP是靠跨膜电位差生产出来的，因此ATP的产量和细胞膜的总面积成正比，这就会导致细胞被饿死。所以原核细胞都非常小，平均体积是真核细胞的1.5万分之一。

ATP生产方式决定了原核细胞无法克服能量供应不足的短板，导致原核细胞的结构一直非常简单，即使进化了20亿年也复杂不起来。这个困难最终被真核细胞以一种非常巧妙的方式克服了，这就是线粒体（Mitochondria）。

Lynn Margulis提出了内共生起源学说(endosymbiotic theory)。

美国生化学家威廉·马丁（William Martin）认为第一个真核细胞是由一个古细菌吞噬了一个细菌而产生的，那个古细菌是依靠氢气生活的，而它吞进去的细菌能够生产氢气，正好为宿主提供了最需要的养料，于是双方共存了下来。

类似这样的事情极其罕见，原核细胞诞生之后的20亿年里只发生过两次，第一次产生了线粒体，导致了真核细胞的诞生。第二次产生了叶绿体，揭开了大规模光合作用的序幕。

当两个细菌共生之后都会发生些什么：

• 首先，被吞进去的那个细菌的DNA会大量丢失，其碎片会被随机地整合进宿主的基因组中。一方面，细菌经常通过这种方式和其他细菌交换DNA，这在生物学术语里被称为“基因水平转移”（Horizontal Gene Transfer）。另一方面，这么做可以节约能量。

• 其次，细菌基因碎片的整合过程是随机发生的，这就导致宿主的基因组被这些小碎片弄得支离破碎，这些小碎片就是曾经让遗传学家们百思不得其解的内含子（Intron）。

内含子的存在造成了一个严重的后果，那就是当真核基因转录成信使RNA时，必须先将内含子片段切除掉，才能送到核糖体（Ribosome，蛋白质的合成机器）中，成为蛋白质合成的模板。这个切除过程需要非常精细的控制，所以速度要比RNA转录过程慢很多，一不小心就会把还没有切好的半成品送到核糖体，合成出来一大堆没用的蛋白质。所以宿主细胞进化出了细胞核，把信使RNA的剪切过程放在细胞核内进行，和核膜外的核糖体分隔开，真核细胞这个名字就是这么来的。

原核生物的基因组不像真核生物那样被分成了若干条线状的染色体，而是一整条圆形的闭环。环上的基因并没有老老实实地待着不动，而是一直在进行前文所说的“基因水平转移”，即每个基因都可以自由地在不同细胞之间流动，原核生物就是依靠这个办法来增加基因多样性的。

举个例子：单个大肠杆菌的基因组里只含有大约4000个基因，但整个大肠杆菌群体里含有超过1.8万个基因，任何一个大肠杆菌都能从这1.8万个基因库里任意挑选自己需要的基因，这就大大增加了大肠杆菌的基因多样性。

真核细胞的细胞核限制了基因的水平自由流动，“基因水平转移”没法正常进行。

性细胞在进行减数分裂前，来自父亲和母亲的配对染色体都要事先发生同源基因重组，双方随机交换各自对应的基因片段，然后才能生成性细胞，再去和另一半配对。真核生物的基因组比原核生物大多了，每次只转一个基因是远远不够的，必须全部交换才行。

这件事意义重大。想象一下这样的情景：某人进化出了一个特别优秀的基因，能带来巨大的进化优势，于是这个基因迅速传遍了整个族群，所有不携带这个基因的人都死了。假如没有基因重组的话，那么这个优秀基因所在的染色体上的所有基因都跟着沾了光，也会很快传遍整个族群，其中肯定会混有一些不那么优秀的基因。日积月累，这样的“搭便车”基因便会越来越多，肯定会对种群不利。

总之，真核生物之所以要有性，主要原因就是为了保持基因组的健康，防止出现搭便车现象。次要原因是为了增加不同基因相互配对的可能性，以此来应付可能出现的恶劣环境。事实上，很多比较原始的真核生物往往会在条件好的时候进行无性生殖，而在条件不太好的时候改为有性生殖，原因就在这里。

最初被古细菌吞进去的那个细菌体内至少有1500个基因，后来很快就都被整合进了宿主的基因组中。这些基因编码的蛋白质大都是线粒体组装所必须的，但这个工作已经交给了宿主细胞统一完成，工作效率大大提高。

但是，线粒体内仍然保留了一小段DNA没有丢掉，这是因为这一小段DNA含有和ATP合成有关的13个重要基因。

线粒体基因组的遗传方式和核基因组很不一样，没法通过基因重组的方式让基因流动起来。如果两个性细胞相互结合之后，双方的线粒体混在一起，其结果就和搭便车没什么两样了。所以真核生物进化出了一种独特的性行为方式，即在性细胞两两结合之后，便把来自某一方的线粒体全部杀死，只让来自另一方的线粒体单独存活下去，这就有效地防止了搭便车的现象。