这些结果说明,生命所需要的许多有机物,包括组成蛋白质的氨基酸、组成核酸的核苷酸,以及组成细胞膜的脂肪酸,也可以在太空中形成。这些有机物还可以通过彗星和星际尘埃到达地球,作为生命的起始物质。

许多真核生物的基因为蛋白质编码的DNA序列并不是连续的,而是分成为蛋白质编码的序列——外显子(exon),中间被不为蛋白质编码的序列——内含子(intron)隔开。在基因的信息被转录到信息核糖核酸(mRNA,即messenger RNA)上时,这些不编码的DNA序列也一起被转录。接着细胞对这些mRNA进行加工,把内含子切掉,再把外显子连在一起,这个过程叫做mRNA的剪接(splice)。剪接后的mRNA含有连续的编码序列,再到核糖体中指导蛋白质的合成。

RNA分子的这种催化能力来自两个因素:碱基配对所形成的空间结构和能够起催化作用的磷酸基团和羟基。

在生命形成的早期,会有各种结构的RNA形成,它们在序列、复制自己的能力、稳定性上也会有差别,同时它们又使用同样的结构单位(核苷酸)来建造自己。这样,不同的RNA分子之间就会出现争夺建造原料的竞争,只有那些具有最佳性能的RNA分子能够存活下来,成为形成最初生命的核心分子。这种能够自我维持,并且能够通过竞争来改善自己的化学系统,就是生命的雏形。

生物在进行光合作用时,对这些碳同位素并不是“一视同仁”的,而是“偏爱”最轻的碳-12。这样,在生物体内的有机物中,碳-13/碳-12的比例就会比自然环境中低。如果在发现菌膜痕迹的地方又发现碳-13的比例低于环境中的,那就能够有力地证明这些结构是来源于生物的。

原核生物的英文名称中,pro- 表示“在……之前”,而karyo- 是“核”的意思。所以原核生物这个名称不是说这些生物有“原始”的细胞核,而是在有细胞核的生物出现之前的生物。

也许是由于RNA最初把氨基酸连起来时,只能使用α-氨基酸,即氨基和羧基连在同一个碳原子上的氨基酸,所以现在生物体内的蛋白质,都是由α-氨基酸组成的,而且通过生物的选择和淘汰,最后留下20种α-氨基酸来组成蛋白质,这就是丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、组氨酸、色氨酸、脯氨酸。从原核生物选定了这20种氨基酸之后,就再也没有变过。包括人在内的所有生物都使用这些氨基酸,说明原核生物已经做了最佳选择。

蛋白质分子中的氨基酸被称为氨基酸残基(residue)。在蛋白质两端的氨基酸中,一个保留了氨基,叫做蛋白质的氨基端(amino-terminal或者N-terminus),另一个保留了羧基,叫蛋白质的羧基端(carboxyl-terminal 或者C-terminus)

由于蛋白质中的氨基酸之间没有如RNA分子中碱基之间那样的配对机制,蛋白质里面的信息(氨基酸的排列方式)并不能被读取,信息必须储存在别的分子中。

核糖体里的RNA rRNA才是催化蛋白质合成的分子。为蛋白质编码的mRNA结合于核糖体,在那里指导蛋白质的合成。合成蛋白质所需要的氨基酸则被与它相连的小RNA分子——转运RNA(transfer RNA,简称tRNA),转运到mRNA分子附近,通过tRNA上的反密码子和mRNA上的密码子结合。大亚基上由2900个核苷酸组成的rRNA有催化功能,可以把这些氨基酸连在一起,这样就能够准确地按照mRNA中的信息合成蛋白质,而且几乎没有误差

到了原核生物,RNA分子的合成已经不再由别的RNA分子催化,而改用蛋白质来催化,但是RNA催化肽链合成的功能却一直保留。离开RNA,就没有蛋白质的合成;而没有蛋白质,RNA也无法合成。现在所有生物体内的RNA,都是由蛋白质催化合成的,而所有的蛋白质又是RNA催化形成的。RNA和蛋白质之间跳的这种“华尔兹”是所有现代生命的基础。

细胞在合成DNA时,不是首先合成DNA的组成成分脱氧核苷酸,而是先合成RNA的组成成分核苷酸,再通过核苷酸还原酶把核苷酸变成脱氧核苷酸。

RNA分子要执行各种生理功能,是以单链形式存在于细胞中的。它通过分子内部碱基的配对(A和U彼此结合,C和G彼此结合)形成各种三维结构

不过这样的DNA双螺旋也有一个问题,就是DNA的末端。像由多股线编成的绳子一样,在末端这两股链容易分开。为了解决这个难题,原核生物的DNA是环状的,无始无终,也就没有末端的问题。

如果把细胞放大成为直径4米的房间,细胞膜的厚度只相当于1毫米!

这么薄的细胞膜除了要经受周围分子的热运动造成的冲击,还要耐受细胞内容物造成的渗透压,只有16到18碳原子长的脂肪酸才可以产生足够强的色散力,使碳氢链“火柴杆”之间的作用力足够强,使细胞膜足够强固。

为了适应这些不利的环境,古菌不使用脂肪酸来构建磷脂,而是用聚异戊二烯的长链通过醚键(—C—O—C—)和甘油相连。这样的分子也能在水中形成双层膜结构,但是由于醚键比酯键稳定得多,亲脂的“火柴棍”还带侧链,使得古菌的细胞膜更加结实稳定。古菌也含有使脂肪酸降解的酶,说明脂肪酸也是古菌代谢系统中的一部分。古菌不用脂肪酸来建造细胞膜,也许是古菌在适应严酷环境的过程中放弃了使用含脂肪酸的磷脂,而采用聚异戊二烯的脂肪链(图2-18)。

这样,细胞膜外面氢离子的浓度就会大大超过细胞内的浓度,类似于水库蓄水。当这些氢离子通过细胞膜上的另一个膜蛋白质复合物——ATP合成酶(ATP synthase)流回细胞质时,氢离子就像水坝里面蓄的高位水,带动ATP合成酶把ADP和磷酸分子结合在一起,生成ATP

例如在身体发冷,需要热量的时候,除了用发抖这种方式强迫肌肉收缩产生热量外,棕色脂肪细胞里面的一种“去偶联蛋白质”还会让氢离子泄漏,让蓄积在氢离子梯度里面的能量以热的方式散出来,给人体补充热量。人到老年时怕冷,就和身体里的棕色脂肪减少有关。

人体每天要消耗大约60千克ATP,但是在每个时刻身体里面的ATP只有约50克。这意味着每天ATP要被分解和再合成,循环使用1000次以上。这些ATP中的绝大多数都是用氢离子“蓄水”的方式合成的。

其实不仅是氢离子,细胞外面高浓度的钠离子也是蓄能的一种方式,它可以带动一些分子(如葡萄糖)进入细胞。人的小肠吸收葡萄糖,利用的也是细胞膜外高浓度的钠离子。

通过三羧酸循环,葡萄糖和脂肪酸可以生成氨基酸,氨基酸和脂肪酸可以生成葡萄糖,氨基酸和葡萄糖又可以生成脂肪酸,所以三羧酸循环把细胞中的三种主要分子——氨基酸、脂肪酸和葡萄糖联系起来,让它们可以互相转化,同时还可以合成像血红素这样的分子,是名副其实的化学反应“转盘路”。

是在原核生物的古菌和一些细菌中,这种固定二氧化碳中碳原子的机制并不存在,说明卡尔文循环是后来才发展出来的。早期的生物一定有其他的机制来固定二氧化碳中的碳原子。研究发现,许多原核生物是利用逆向旋转的三羧酸循环来完成这项工作的

由于这个循环的反着转的,主要目的是把二氧化碳中的碳原子还原为有机物,所以逆行的三羧酸循环被称为还原型的,需要氢原子在反应的不同阶段加入;而正转的,以氧化碳原子为目的的三羧酸循环被称为是氧化型的。

生物氧化碳原子的方式是加水脱氢,固定碳原子的方式正好反过来,是加氢脱水。在氧化型的三羧酸循环中,加水反应分别是在乙酰辅酶A与草酰乙酸结合形成柠檬酸、琥珀酰辅酶A被转化为琥珀酸和辅酶A以及延胡索酸变成苹果酸时进行的。在还原型的三羧酸循环中,脱水反应是在柠檬酸变成乙酰辅酶A苹果酸变成延胡索酸以及琥珀酸变为琥珀酰辅酶A时进行的。

叶绿素的分子含有一个复杂的环状结构,叫卟啉环。卟啉环里面所有的双键都是彼此“共轭”的,即彼此都被一个单键隔开,因而形成一个巨大的共轭系统。不仅如此,卟啉环的中间还连有一个镁离子(见图2-31左下)。这个结构使得叶绿素在紫外和可见光区段都有吸收峰。不过叶绿素最早的功能也许还不是进行光合作用,而是结合在膜蛋白上,起保护DNA不受太阳光中紫外线的伤害作用。

既然所有的生物早就能够合成血红素,出现类似叶绿素那样的分子也不是难事。与膜蛋白结合的叶绿素不但能够吸收可见光,也能够吸收紫外线,相当于我们皮肤细胞里面的黑色素保护我们少受紫外线的伤害。

蓝细菌的双光反应中心系统既能形成跨膜氢离子梯度来合成ATP,又能提供用无机物合成有机物所需要的氢原子,使得真正的利用光能的有机物生产者出现,对地球上生物的发展与扩张具有关键性的意义。

细菌细胞的内容物浓度比周围的水溶液溶质的浓度高,会产生渗透压。例如革兰氏阴性细菌的渗透压相当于几个大气压,而革兰氏阳性细菌的渗透压可以高至30个大气压,而汽车轮胎内的空气压力才两个大气压左右(相当于203千帕)。

例如在常温时,水分子的运动速度可以高达每秒694米,比波音飞机的速度还快3倍以上。

如果把DNA比作拉链,拉链的每个“齿”相当于一个核苷酸,假设每厘米有5个“齿”,那么每秒添加2000个核苷酸相当于每秒钟拉合4米长的拉链,这是惊人的合成速度。

尽管不同的真核生物的线粒体DNA大小差别很大,基因数也不一样,但是所有这些线粒体里面的基因都不出变形菌门细菌基因的范围,说明线粒体的确是从变形菌门的细菌演化而来的。

所有这些事实都说明,所有真核生物的细胞都曾经获得过线粒体,只不过后来一些真核生物不再需要线粒体的氧化磷酸化功能而部分或全部失去线粒体。而原核细胞无一例外地不含线粒体,所以线粒体是区别真核生物和原核生物最根本的标志。而且线粒体的作用还不仅是为寄主细胞提供能量,它带来的内含子更使得细胞核成为必要,因而是线粒体的出现让原核细胞发展出了细胞核。

真核生物的内含子出现的时间非常早,在所有真核生物的共同祖先中就出现了。

线粒体的出现给真核生物带来充足能源的同时,也带来了内含子的入侵。为蛋白质编码的基因中内含子的出现,又迫使细胞形成细胞核以把DNA和核糖体分隔开来。这大概就是真核细胞出现的根本原因。其他的改变都是在这个基础上进行的。

从以上事实可以看出,即使在单细胞的真核生物中,肌球蛋白就已经开始起重要作用了。它们在细胞内搬运货物,帮助细胞膜移动,使得细胞能够运动和吞食,还在细胞分裂时将细胞一分为二。多细胞动物的肌肉,就是在这个基础上发展出来的。

泛素是由76个氨基酸单位组成的小蛋白质分子,先经过几步酶催化步骤被连接到泛素连接酶(ubiquitin lygase)上, 再由泛素连接酶把泛素分子羧基端的甘氨酸残基连到被标记蛋白质分子的赖氨酸残基上。

这就是真核细胞“捕获”蓝细菌并且让它变成“叶绿体”。这个过程和古菌获得 α-变形菌并且让它变成线粒体有些相似,都是在细胞中包进了另一个细胞,并且让它变成自己的一个细胞器。蓝细菌和 α-变形菌也都是革兰氏阴性细菌,外面包有两层细胞膜,但是这次真核细胞获得蓝细菌的过程和当初古菌获得 α-变形菌有一些不同。原核细胞是没有吞食能力的,所以获得 α-变形菌估计是靠偶然的机械力量,是概率极小的事件,在历史上只成功地发生过一次,而真核生物的细胞已经有了吞下其他细胞(主要是体型较小的原核细胞)的能力,所以这次获得蓝菌多半是通过吞噬,但不消化吞进的蓝细菌。

获得 α-变形菌使得细胞获得氧化磷酸化的能力,利用食物分子的效率大大增加,即变成“超级消费者”。而获得蓝细菌却是让它获得进行光合作用、制造有机物的能力,使其成为“生产者”。这个变化使得一些真核生物从异养生物变为自养生物,即从“消费者”变成“生产者”,并且由此诞生了海洋中的藻类(红藻和绿藻)和陆地上的植物。这个变化的后果极其深远,没有它,就没有现在的植物和动物,更不会有人类。光靠吃细菌(无论是活的还是死的)生活的生物能够有多大和多复杂?

原核生物因为体型小,又没有吞食其他生物的能力,获得 α-变形菌并将其变为线粒体的过程只发生过一次。线粒体单线垂直传递,随着生物的演化进入所有的真核生物中。而真核生物由于体型巨大而且功能强大(包括吞食能力),所以不仅能够吞下蓝细菌这样的原核细胞,而且可以吞下已经具有叶绿体的真核细胞,间接获得叶绿体。

所以秋天叶子变黄或变橙的原因和水果成熟时从绿变为黄色、橙色、红色的原因不同。前者是叶绿体自己的老化,而后者是有色体的作用,二者不是一回事。

有趣的是,光照过强时,叶绿体会排列在与光线方向平行的细胞壁处,彼此遮挡,以减少强光的伤害。光照弱时,叶绿体又排列在与光线方向垂直的细胞壁附近,增大受光面积。这就是为什么藻类植物的细胞只有单个巨大的叶绿体,因为藻类在水中生活,阳光不至于太强烈,藻细胞又可以改变离水面的距离来调节光强度。而陆生植物无法改变光照强度,就只好含有大量小的叶绿体,通过它们的排列方式来调节受光程度。

可以说,没有当初古菌“收容”α-变形菌,把它变为线粒体的事件,就没有真核生物。而没有后来真核生物“收容”蓝细菌,把它变为叶绿体的事件,也就没有多细胞生物,不会有使我们的世界郁郁葱葱的植物和各式各样的动物,更不会有我们人类。

由于糖基是高度溶于水的,蛋白质带上糖基也可以增加它的溶解度,例如血浆中的蛋白质基本上都是带糖基的。

真核细胞和原核细胞中蛋白质为穿过膜所使用的信号肽的相似性,以及信号识别颗粒SRP结构和功能的相似性,说明内质网膜是由原核细胞的细胞膜变化而来。只要把内质网腔看成是原核生物细胞膜以外的空间,蛋白质其实是使用同样的机制穿过膜。由于细胞核的外膜和内质网膜相连,真核细胞的核膜也应该是由原核细胞的细胞膜发展而来。很有可能核膜、内质网和高尔基体是在同一个过程中,由原核细胞的细胞膜向内折叠形成的。

地衣中的真菌包括子囊菌(Ascomycete)和担子菌(Basidiomycete);藻类主要是绿藻中的共球藻(Trebouxia)和橘色藻(Trentepohlia),蓝细菌主要是念珠藻(Nostocales)和伪枝藻(Scytonema)。它们来自完全不同的生物门类(真菌、绿藻、蓝细菌),具有差异很大的遗传物质,所以地衣是具有不同遗传物质的细胞聚集在一起,形成新的生物体的典型例子。

在地衣中,光合生物和真菌之间并不是完全平等的共生关系。没有真菌的蓝细菌在培养基上生长更快,而蓝细菌合成的糖类物质中,被真菌拿走的可以高达80%。这说明真菌是在“剥削”光合生物,光合生物只是被真菌俘获的“奴隶”,相当于是真菌的“体外叶绿体”。

表观遗传修饰的一种形式就是DNA的甲基化,即在DNA中胞嘧啶(C)的碱基第5号碳原子上加一个甲基(—CH3),不过不是在所有的C,而是在CpG序列的C上加甲基。

所有的单鞭毛生物都有这个CAD基因;而在双鞭毛生物,包括一些高级多细胞生物如植物中,这种融合并没有发生,三个基因仍然各自表达。这个事实说明,所有具有CAD融合基因的生物(即单鞭毛生物,不管是单细胞的还是多细胞的)应该来自共同的祖先,和双鞭毛生物是不同类别的生物。

另一方面,植物中两个与胸腺嘧啶合成有关的酶,胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶彼此融合在一起,叫TS-DHFR融合,而这种融合在任何单鞭毛生物中都未曾发生过,这说明双鞭毛生物也有自己共同的祖先。

这些事实都表明,在真核生物形成的初期,还在单细胞的阶段,就已经分化出单鞭毛细胞(如领鞭毛虫)和双鞭毛细胞(如衣藻)这两大类。单鞭毛细胞后来发展成为真菌和多细胞动物,同时有些单鞭毛生物仍然以单细胞状态存在。双鞭毛生物后来发展成为藻类和陆生植物,同时也有一些继续以单细胞状态存在。尽管单细胞生物后来发展成为多细胞生物,但是单鞭毛和双鞭毛的基本特征仍然存在。两大类生物各有特点,成为地球上彼此区别的两大类生物。

这些功能域混编的例子说明,从单细胞动物到多细胞动物,新的基因不是突然产生的,也不是原封不动地从单细胞动物继承,而是将已经有的蛋白功能域重新组合,成为具有新功能的蛋白质。比起完全从头创造一个基因来,这是更容易实现的过程。

植物的祖先绿藻属于双鞭毛生物(bikont),其外部特征是游动细胞前端有两根鞭毛,拥有融合基因TS-DHFR;而动物的祖先领鞭毛虫为单鞭毛生物,其外部特征是游动细胞只有一根鞭毛,拥有融合基因CAD。

所有的真核细胞都来自同一个祖先,即最初俘获α-变形菌,将其转化为线粒体的细胞。

钙黏着蛋白在细胞内的部分则通过β-联蛋白和α-联蛋白与细胞里面由肌纤蛋白组成的“细胞骨架”相连,这样不仅把结合力施加于细胞膜上,而且还把力延伸到细胞内的骨架上,将细胞牢牢地栓在一起(图6-1)。

图6-14 动物身上的斑点和条纹可以用图灵的反应-扩散方程解释。例如图中斑马、豹子和鱼身上的条纹或斑点都可以用反应-扩散方程的结果来模拟。方框内的图案是根据反应-扩散方程数学模拟的结果,与动物身上的实际图案相比较

分子生物学研究的结果使得科学家发现,所有动物眼睛的形成都由同一套基因所控制,从最简单的两个细胞的“眼睛”到昆虫的眼,再到人类的眼,细胞分化和结构形成所使用的“基本工具”都是高度保守的,说明现在地球上所有类型的眼睛都来自同一个“祖宗眼睛”。

进一步的研究表明,所有的原核细胞,包括细菌和古菌,都不能进行有性生殖;而几乎所有的真核生物,包括单细胞真核生物和多细胞真核生物,都能够进行有性繁殖。换句话说,有性生殖是真核生物的发明和“专利”。

因此,同源染色体之间通过“双人舞”的配对,不仅导致了同源重组,即对来自父亲和母亲的基因进行“洗牌”,还把同源染色体联系在一起,使得它们能够为细胞所识别,被分开到两个“子”细胞中去。这就破解了细胞如何“认识”同源染色体,并且将它们分离到两个细胞中去的难题。

蛋白质分子和配体分子结合改变形状,或者同时被磷酸化,功能也随之改变,改变了功能的蛋白质又可以作为下一级信息分子的配体,使其改变形状或者磷酸化,最后到达效应分子,这就是细胞中信息系统工作的总机制。

膜电位(membrane potential)是指细胞膜两边的电位差,一般是细胞膜内为负,细胞膜外为正,大小约为-70毫伏(负号表示细胞膜内为负)。这个电位差看上去不大,但是如果考虑到细胞膜的厚度只有约3.5纳米,那么电位梯度(单位距离的电压改变)就相当于200000伏/厘米,比传输电流的高压线(约200000伏/公里)的电位梯度还要高10万倍!

在小肠绒毛细胞的细胞膜上有一种葡萄糖转运蛋白,让细胞外的钠离子把葡萄糖分子“携带”进细胞来。由于细胞外高浓度的钠离子进入细胞是一个释放能量的过程,这个能量就可以使葡萄糖分子逆自己的浓度梯度而动。这种用钠离子把葡萄糖带进细胞的转运蛋白叫“钠-葡萄糖协同转运蛋白”。要转运一个分子的葡萄糖进入细胞,需要两个钠离子的“携带”。

限制性内切酶是细菌对抗病毒入侵的伟大发明,可以说是生物最初的免疫功能。为此细菌发展出了超过3000种限制性内切酶,以保证这些酶切位点能涵盖所有病毒的DNA,从而能够对付各式各样的入侵者。限制性内切酶对各种病毒的DNA都能够加以攻击,并不只对一种病毒进行攻击,所以属于先天的,即非特异的免疫系统。

这种把相邻DNA序列随机插入一个基因序列的过程,被认为是通过基因转换的机制实现的,即利用DNA的修复机制,在两条类似的DNA链之间不对等地交换DNA序列,一条链的LRR单位,可以被插入到另一条链的VLR基因中去。所以基因的序列并不总是固定的,在特定的情况下可以被改变,在无颌脊椎动物中就被用来创造大量的VLR。

转座子是一类能够在染色体中“跳来跳去”的DNA,所以又被称为是“跳跃DNA”。有些病毒的DNA也用这种方式插入宿主的DNA,进入休眠状态,在被活化时又从宿主DNA中脱离出来,开始繁殖,所以转座子类型的DNA序列有很古老的历史。

有颌类动物免疫受体重组的机制,很可能来自病毒感染带来的transib转座子。

因此,脊椎动物能够拥有适应性免疫系统,也许还要感谢病毒的一次感染。脊椎动物拥有线粒体作为细胞的动力工厂,是因为真核细胞获得了细菌(α-变形菌)。植物拥有叶绿体,是因为真核细胞获得了蓝细菌,使植物能够大量制造有机物,动物才能够在这个星球上生存。原核生物修复DNA的机制,使得真核生物进行有性繁殖时的同源重组(即基因洗牌)成为可能。有颌类脊椎动物的基因重组,看来是来自病毒的感染。高等动物赖以生存的几个关键功能,最初都来自原核生物甚至是病毒的贡献,我们真的应该感谢它们。

另一个例子是黄曲霉素。这是霉变的花生所产生的一种强烈致癌物。研究表明,黄曲霉素本身并不致癌,是经细胞色素CYP3A4的修饰后才变成致癌物的。CYP3A4是肝细胞中最主要的代谢药物的细胞色素。所以一旦黄曲霉素进入人体,就不可避免地会被转化为致癌物。唯一的办法是不要吃可能带有黄曲霉素的食物。

原核生物,包括细菌和古菌,用限制性内切酶来切断入侵病毒(噬菌体)的DNA,自身的DNA则用甲基化的方式加以保护。细菌和古菌还发展出了CRISPR这样的适应性免疫系统,它能够对病毒的DNA取样并且保存,在遇到同种病毒入侵时将这些DNA片段转录为RNA,形成能够识别和切断病毒DNA的复合物。

这些现象表明,眼球里面也许有另外的感光细胞。它们的功能与形成视觉信号无关,而只负责监测光线的昼夜节律。这样的感光细胞还真的被找到了,这就是节细胞层中的少数(只有百分之几)细胞,叫做感光节细胞(pRGC)。在没有视杆细胞和视锥细胞的情况下,这些细胞仍然能接收外部光线的信号,并且传输给大脑。