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“万物生长靠太阳”;

“太阳光给我们送来了光和热”;

“绿色的叶片可以利用阳光把水和二氧化碳做成动物和植物都需要的‘面包’”……这些似乎已经是人所共知的小儿科知识。

不过,泡在地球原始海洋中第一个生命体可不是这么认为的。

能量来自“热水锅”?

在一口热水大锅里,一个生命体正在慢慢分裂,变成两个一模一样的个体,转瞬间,刚刚分裂出的新生命体又被扔进了冷水锅,这时,冷水锅里的生命原料会依照这个生命体的模样组装出新的“拷贝”,直到下一次被扔进热水锅,分裂出新的个体。

这些听起来就像神话故事或者玄幻小说中的桥段,不过,依照最新的进化理论,这是不折不扣的地球生命的进化正史。

依照最新的生命演化理论,最初的地球生命就是一小根线状的RNA(核糖核酸)分子加上一个脂类分子外壳。RNA分子是重要的模板,分散在水环境的核苷酸分子会依照RNA的模样排排站队,同时相邻的核苷酸分子会粘合在一起,形成一个与模板RNA交缠在一起的RNA分子,这些过程在一个冷水区域完成的,随后,他们会被水流推向热水区域,缠绵的新老RNA在高温下分离,脂分子膜也一分为二,新的生命就诞生了。在这个过程中,核苷酸与RNA模板的结合,以及核苷酸之间的连接都是自发的。惟一需要用到的能量,就是热水池中把缠绵在一起的新老RNA分子拆散的热能。

RNA病毒还能看到最初生命的影子,只是这些家伙已经不能单靠冷热变换来繁殖了。

可是,这种自发的过程的弊端也是显而易见的,拼装效率低,不能保证拼装的准确性。好在没过多久,有蛋白质分子冲进脂分子外壳,与RNA分子拉帮结伙协助拼装,最终绑定在了一起。不过蛋白质机器是需要能量来开动的,并且,如果简单地用热水来提供能量,只能像煮鸡蛋一样,把蛋白质“煮熟”以至失活。

那么,能源从哪里来呢?

细胞中的“拦河大坝”

三峡大坝的机房里,水轮发电机的叶片被大坝上游冲下的江水推动旋转,蕴涵在水流中的能量变成了电能,并入电网。我们在电力驱动的地铁列车上上下下,品着电热咖啡壶中飘出的浓香,看着电脑屏幕上绚丽的画面,毫无疑问,电力是目前人类社会通用性最强的能源。

其实,在细胞中也存在这样的通用能源,那就是三磷酸腺苷(ATP,有时也被称为腺苷三磷酸)。小到DNA复制,大到细胞分裂和细胞伸缩运动都少不了他们的身影。这些由一个腺苷和三个磷酸分子顺次拼起来的分子力道之所以巨大,关键是尾巴上的两个磷酸之间的就像有一个压紧的弹簧(高能磷酸键)一样,一旦需要就可以断裂,释放出巨大的能量,把蛋白质送到合适的位置,或者把二氧化碳和能量同时“压缩”在葡萄糖里。在你读这段文字的时候,大量的ATP正在被你的眼睛、大脑,还有点鼠标的手指消耗着。

在细胞中,确实有“拦河大坝”,不过蓄积的不是水能,而是H+浓度。就像水会从高处流向低处一样,H+也有从溶液的高浓度区域向低浓度区域“流动”的倾向,并且它们的流动也像水流一样,可以推动“水车”或者“水轮机”。为了蓄积这些能量,细胞中的一些膜结构(类囊体膜)开始充当水坝,并且这些膜上还装上了发电机——ATP合成酶,当“水坝”两边的H+从高浓度一侧流向低浓度一侧时,就推动ATP合成酶,生产出所有生命的通用能量——ATP。(PS:病毒之所以非要寄生在其他细胞身上,就是因为它们没有合成ATP的系统。)

生命能源问题貌似迎刃而解。不过,在发电过程中,水坝上游的存水会因为下泄而越来越少,又该如何补充呢?对于,三峡大坝来说,海水被太阳光加热至后,变成水蒸气,继而被送上高原,成为循环不息的天上来水。那么在细胞中,如何把H+“抬到”膜结构的高浓度一侧呢?

坚守在无光的世界

在地球诞生最初的日子里,由于地壳运动活跃,海洋中几乎到处都有向外吐热水的喷口。除了高温,它们还给生命送来了“燃料”——H2。H2燃烧可以把火箭推上太空,烧开水自不用说,不过在细胞中可得温柔一些。最初的那些生命(古细菌),选择了二氧化碳而不是氧气(说实话,那时候地球上也没有什么氧气,光合作用还没开始)作为助燃剂,燃烧后释放出甲烷。有了燃烧清洁能源提供的能源,自然可以搬运H+了。 

(至今仍有些生物生活在海底热泉附近,终生不与阳光发生一丁点关系。)

很遗憾,到目前为止,我们对这些古细菌利用氢和二氧化碳的过程的了解还很少。不过,你也不用担心,因为这种“燃烧供能”很快就不是主流了——随着地球地质活动的减缓,海洋中热液喷口越来越少,喷出的氢也成了稀缺资源。

最终,一个不愿看地球脸色行事的细菌站出来说,“我们要用光!”

一个新的时代就这样开启了。 

阳光捕手

用微波炉煮粥热饭已经成为我们生活的一部分,在微波炉中,微波扯着水分子猛烈晃动,微波的能量就变成了水分子运动的能量,这样食物就被加热了。

同样是电磁波的太阳光,跟微波炉里的微波在本质上并无区别,它们身上都携带着能量可以作用于个头更小的电子。我们可以把原子核看成地球,电子就像在周围运行的卫星。如果要把卫星送上高空的轨道,需要火箭提供动力,相应的,当卫星从高空轨道返回到低轨道或者地面时,则会释放出能量。同样在电磁波的作用下,电子可以在轨道间跳来跳去(跃迁),吸收或者放出能量,更重要的是,这种电子的跳跃行为,可以在原子之间传递,当一个原子的电子从高轨道跳下后,能量传递给旁边原子的电子窜上高轨道,太阳光的能量就这样在专门的原子间(天线分子)传递下去,直到能量被汇集到一个反应中心分子身上。

由于收集到的能量巨大,反应中心分子的电子连同大量能量一下就被“崩飞”了出去,沿着“H+大坝”开始奇异之旅。在高能电子“飞行”中,一个叫PQ的醌类分子会把它拦下。为了正负电荷的平衡,PQ会在“H+大坝”的下游俘获一个H+,当它把再次把电子投出的时候,会把H+释放到大坝上游。这样一来,H+就被源源不断地送上了大坝,从而形成H+浓度差,推动ATP合成酶运转起来。

当然,在这个过程中,还有一大帮辅助分子帮忙,辛勤地进行电子传递和能量输送过程。于是,大名鼎鼎的光合作用开始了,地球生命史迎来了辉煌的篇章。今天,我们还能从光合细菌身上看到营建第一个“H+大坝”的生命的影子——原始、简陋,却孕育了生命的未来。

顺便提一下,这里所说的电子轨道高低,是指轨道能量的高低,与电子到原子核之间距离的远近没太大关系。电子在原子核外的轨道并不是连续的,只有能量合适的电子才能运行在特定的轨道上,当然要在这些轨道间跃迁也需要特定数量的能量。也就是说只有特定能量(即特定波长,因为波长跟能量呈反比)的电磁波才能驱动这个过程。太阳光是个不同波长的电磁波搅和在一起的大杂烩,所以特别颜色的光被吸收,如今我们看到的满眼绿色,实际都是植物“吃”剩下的残羹冷炙。

(在适合波段的光的作用下,质子被送上叶绿体中的“光合大坝”,并从ATP合成酶(图片下部)处倾泻而下,合成ATP。)

另外,光合反应中心在电子传递游戏中投出了第一个球,为了维持正负电荷守恒,它需要从其他地方的抢电子。最初,在光合细菌中提供电子的是硫化氢(H2S),这种东西在地球上可不多。后来,水分子中的电子成了新兴的蓝藻的掠夺对象,同时氧分子被释放了出来(我们赖以生存的,就是光合生物的代谢产物!看来被光合生物戏耍的还不只是我们的眼睛)。

(蓝藻的出现勾勒出绿色世界的轮廓。)

为了陆地上的阳光

光合作用运转起来,最初的能量收集工作都是在海水里进行的。很快(地质历史的一瞬间,其实也过了好多亿年),随着陆地面积的不断扩张,开始有不安分的家伙要到陆上一搏了。

对于初来乍道的光合生物来说,陆地可是个凶险的地方:水分稀少,空气干燥,紫外线强烈。为了避免被烤焦和保证光合作用的顺利进行,一个被我们称为叶片,细胞间有着细致分工的“集团”建立了起来。

为了保存水分,集团组建了一只护卫队将工作场所紧密地包裹了起来,这就是表皮。这些紧密排列且透明的细胞不仅可以牢牢锁住水分,它们还准备了类黄酮等色素,将大量紫外线从阳光中截留下来,降低对进行光合生产的细胞的伤害。

然而,仅有坚实的表皮还远远不够,因为光合作用还需要进行气体交换。如果表皮仅仅是一层严实的外壳,那二氧化碳也进不去,氧气也出不来,整个反应也就无法进行了。因此植物在表皮上还留下了许多可以开合的进出关口——气孔。有了这些关口,植物就可以在适当的时候引入二氧化碳放出氧气,并且可以在水分过多时,适当排出水分。这样一来,表皮内部的细胞(叶肉细胞)就可以安心的进行光合作用了。

(图片中的一张张“小嘴”就是植物的气孔,掌管着植物跟外界的水分和气体交换。)

后来,植物向高山、极地和戈壁等等极端环境挺进,“光合生产集团”也在做相应的部署:低矮的长相和厚厚的表皮,帮助高山植物抵挡强烈的紫外线;把进行光合作用的细胞搬到茎上,帮助沙漠植物节约了水分;细胞糖浓度和离子浓度升高,帮助极地植物御寒。就像人类开发核动力装置,反物质引擎以进行星际探索一样,生命世界也在不断摸索着新的能源供给。

(以高山上的雪莲为代表,“光合生产集团”将触角伸向可以想象到的每一个有光地方。)

新的物种就这样不断产生出来……

说起来,也许,还有我们完全陌生的生物能量系统,正在月球和火星上等待我们的发现。

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19 Responses to “[新生]光和热,你好哪一口?”

  1. 蚯蚓说道:

    沙发?

  2. laoma说道:

    最初的生命是RNA加上一个脂类分子外壳。壳外的RNA能穿过外壳被复制吗?里面的为什么不跑出去?

    “H+大坝”只能通过电子,不能通过H+,H+要靠PQ才能到另一边去对吗?

    古细菌在外面H2+CO2化学反应,那里H+的浓度高;光合作用细菌把里面的电子甩出去,使里面的H+浓度高。所以H+的流动方向相反,对吗?

    • 史 军说道:

      这几个问题,都很有挑战性,都是站在科学前沿问题的好问题。
      首先,外壳可以提供一个比较稳定的环境供RNA复制,至于质分子外壳为什么会跟RNA结合在一起,还是个未解之谜。
      第二个问题,H+确实是需要特殊的通道才能到另一边的,当然电子也是如此,并不是自由地通过大坝。
      第三个,很遗憾,到目前为止,我们对于古细菌利用氢气和二氧化碳反应的过程还没有详细的研究。

  3. 李会说道:

    关于生命的起源一直以来,有许多的假设。无论是那一种,都要小心的求证。更需要坚持不泄的研究下去,我支持你们。希望你们能走的更远.·.·.·.

  4. biohu说道:

    关于冷水和热水,我想到的是PCR。

  5. dulao5说道:

    请问地球上的声明是来源于“一个”RNA?还是多个RNA?

    也就是说,现在地球上的声明是来源于一个父亲,还是多个父亲?

    能不能从概率的角度评估呢,比如,记得松鼠会早期有一篇文章,说生命的起源,RNA和DNA的产生非常神奇,必须同一刻产生并运转。是不是按照概率,最初的声明只有这一对呢?

    • 史军说道:

      很遗憾,这个问题还没办法回答。因为生命起始于RNA也是目前认为最合适的一个模型,至于有一个还是多个RNA参与了生命的起源,到目前为止还有实验或者证据能说明。
      个人认为,多元起源的可能性会大一点。形态大小不同的RNA生命应该会相互交流融合,形成新的生命。就像现在还在发生的病毒杂交那样。

  6. Metaverse说道:

    植物普遍的没有选择使用绿光,在物理学上有什么样的必然性吧?

    • 史军说道:

      对于当今地球上的植物是必然的,因为绿色光子的能量不高不低,数量也不多不少。比起高能量的蓝紫光和高数量的红光,绿光在被利用上就如同鸡肋。

      • laoma说道:

        不同意,绿光波段的总能量是最多的。

        • Abyssx说道:

          嗯……红外波段能量最多,可惜光量子能量太低用不了……我也记得可见光区域绿光能量最多,是因为暗反应部分反应速率很慢,吸收了太多光能又无法利用会灼伤植物,所以反射掉大部分……

          • laoma说道:

            我应该说单位波长里能量最大的在黄绿光:)
            红外波长范围大么,能量当然高。
            我认为在自然界没有找到绿光光转换效率高的材料。如果大部分阳光转化成化学能,就没有能量去灼伤植物了。

        • 史军说道:

          总能量跟可以利用的能量是两码事啊,就像人类目前可利用的能源里,太阳能无疑是量最大的,可惜我们还没有找到合适的利用手段,不如烧汽油,或者利用水能。

          • Abyssx说道:

            绿光单个光量子能量比红光高,太阳光谱里绿光比红光多。相比叶绿素能利用的红光,显然不是什么鸡肋。

            藻类里也有红色和蓝色的色素分子一样可以进行光合作用,效率也不低。就算是高等植物里也有黄色的类胡萝卜素可以吸收光能。我觉得你的理由说不过去……

  7. 小英雄说道:

    蛋白质诞生在前,还是RNA在前,我认为是不是越简单的,越应该排在前面?

  8. starfocus说道:

    终于在次看到一篇舒服的文章
    不过大坝那段不太好懂

  9. [...] 史军:光和热,你好哪一口? [...]