生命之旅—化學進化（下）| 進化的歷史007

2020-09-10 透明的思想

DNA的碎片被盤繞在蛋白質周圍，形成核仁體顆粒。這些碎片組合成更大更複雜的結構來構建染色體。

摘要：從生物大分子形成到多分子體系出現是一個質的飛躍。多分子體系是一個系統，生命是一種複雜的系統而不是有機分子的簡單聚集。多分子體系形成也是一個謎，有很多假說。

多分子體系的出現

科學家推測蛋白質和核酸等有機高分子物質，在海洋裡越積越多，濃度不斷增加，由於種種原因（如水分的蒸發，粘土的吸附作用），這些有機高分子物質經過濃縮而分離出來，它們相互作用，凝聚成小滴。這些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，與周圍的原始海洋環境分隔開，從而構成一個獨立的體系，即多分子體系。這種多分子體系已經能夠與外界環境進行原始的物質交換活動了。
如果有機分子、有機高分子還是化學反應的範疇，那麼多分子體系則是一個質的飛躍。這種質的變化表現在兩個方面：

  1. 有機高分子說到底只是一種分子結構，而多分子體系則形成了一個微型的系統。這個系統通過界膜區分系統內外部。這是一個了不起的變化。因為系統內外部存在著差異，就意味著可以為內部的生命化學反應提供一個穩定的環境。以前受外部影響很大無法完成的反應可以在內部環境中實現。
  2. 多分子體系形成了新陳代謝機制。新陳代謝是生命的基本特徵之一，它比遺傳機制出現的更早也更普遍。原始的海洋中溫度較高，有機物含量豐富，這些給團聚體的生成提供能量與構建材料。
  3. 如果一個多分子體系沒有新陳代謝機制但它有複製自身的能力，它就是病毒。病毒可以說是一種介於生命與非生命之間的東西。因為它只有一個完整生命的部分功能，而且它的存在也有賴於其它生命。

多分子體系假說

關於多分子體系最著名的假說是奧巴林的團聚體(coacervate)模型。前蘇聯生物化學家奧巴林將明膠水溶液和阿拉伯膠水溶液混在一起，發現溶液變混濁。在顯微鏡下看到蛋白質與糖自動濃縮聚集為分散的球狀小泡。小泡四周與水有明顯的界限。具有類似膜那樣的邊界。內部的化學特徵明顯與外部不同。團聚體小泡具有原始代謝特性，能從外部溶液吸入某些化學分子作為反應物。在酶的催化作用下發生特定的化學反應。反應的產物也能從團聚體中釋放出去。

奧巴林的團聚體

這樣的小滴可作為一個開放系統能夠存在幾個小時至幾周，並能使之無限制地增長與繁殖。由於團聚體模型能表現出吸收、合成、分解、生長、生殖、類似生物學的特性。但是團聚體模型與原始的生命體相距甚遠，而且也很不穩定。多分子體系使我們認識到生命不是簡單的分子的堆積，生命的本質不是個體而是一個系統，而且是一個完備的系統，包含著信息、能量、秩序、控制。

除了團聚體假說還有一些其它的假說，比如福克斯的微球學說。由於歷史久遠這些假說都無法被證實。我們可能永遠無法知道當初的生命是如何形成的。多分子體系的意義在於分子只有組合成類似細胞這樣的系統與結構才能表現出生命現象。這種體系並不穩定它還算不上真正的生命，但它很可能是生命進化過程中必然經歷的一個環節。

有一個疑問是：多分子體系雖然可以在自然界中形成但它不穩定，為什麼它能留存下來並且數量越來越多，從而進化成細胞？這裡一定存在一種過濾或者選擇的機制，否則即使出現了它也會很快消失，或者數量異常的少可能忽略不計。

多分子系統的形成

多分子系統的形成也許不是在海洋中，作為一個開放式的系統它需要能量來維持。它沒有複雜的結構與代謝功能，所以能利用的外部能量一定是非常簡單的熱能。但這種熱能也不能太高，否則破壞了分子鍵就徹底無序了。地球初期經過了6億年時間的降溫，地表溫度降到300度以下碳才可能出現穩定的分子形態，再經過幾億年的時間水以蒸汽或液體形態出現時，生命形成的條件才完全具備。
有一種可能是最初在熔巖凝固的光滑的巖石表面幾十度的溫度剛好形成水滴，且在水滴外部形成一個水分子膜。原始的多分子體系使水滴呈現出了不同的濃度。在水分子膜的作用下這些水滴表現出了一些自組織性。這個微小的水滴內形成一個系統，內部具有一定的物理、化學結構，這種獨立的結構，可以脫離外界環境的影響，不容易被外界條件破壞。經過億萬年的進化多分子體系外層形成了原始的膜，它使多分子體系與原始海洋隔離，成為獨立的體系，這樣通過原始膜的控制與周圍環境發生物質交換，如：原始膜控制了某些物質能否進入，控制了環境對生物系統的作用。而在內部經過億萬年進化分子不斷變化，分子之間的化學反應不僅複雜且產生了複雜的非線性的關聯關係。

新冠病毒，病毒也算是多分子結構。來源：Pexels 攝影師：CDC

多分子體系經過長期不斷地進化，結構、功能不斷完善，最終形成蛋白質與DNA兩大生命分子。並依賴蛋白質的化學反應產生新陳代謝，通過RNA、DNA分子實現自我繁殖，這兩大基本功能是生命所必須的。所以多分子體系是原始生命的基礎。不過也許這個問題可以反過來看，正是因為形成了類似生命的機制，多分子體系才以生命的形式被複製並保存下來。生命本身就是一種機制。當然這樣看問題有點本末倒置，通常是更高層級的事物賦予低層級的事物以意義。不過意義是人賦予的，對客觀世界來講「多分子體系進化出了生命，生命的出現保存多分子體系的形態」是等價的。


……………… 未完待續 ………………

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本文來自公眾號專輯《進化的歷史》

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