《复杂生命的起源》读书笔记

复杂生命的起源
前段时间和小蕙蕙搞了一个共享文档一起写读书笔记。这篇是我读完去年10月份出版的尼克•莱恩的《复杂生命的起源》后的总结。

很不错的科普书,开微信读书的自动阅读模式两个星期走马观花看完了。我是做Ecology Biophysics方向的理论研究的。它对我来说提纲要领,很有启发。安利!!!

以下是原文。


很给我启发的一本生物学科普。它全篇在围绕一个关键问题:复杂生命是怎么诞生的?为了回答这个问题,它从分子层面、细胞层面和更宏观的生物体乃至生态系统层面做了系统的阐释。
我前天听系里的orientation迎新讲座,其中wessel教授说到建议我们在phd阶段找到一个在科研生涯里要回答的“大问题”。对于我来说,这个“大问题”大概就是“复杂生命的起源”了。你看,我们的物理学能回答,给宏观的物体某个力后它会如何运动;能回答,电场和磁场是什么样的,物体如何带电、如何被磁化,在其间会受到何种作用;能回答,物质由何组成,组成它们的原子、分子如何振动、如何形成晶格、如何与电磁波等等外界施加的力量相互作用,产生力热电光诸多性质。但是这些答案,都只是“一步的逻辑”。这些答案,就像抽丝剥茧之后得到的那个最小的缝纫单元,告诉我们一个针脚如何勾连,但是从未告诉我们这个复杂的世界究竟是怎么被一针一针编织起来的:它为什么被织成这样,而不是那样?为什么有复杂的生物世界、甚至有人类这么精巧的、神奇的存在,从这些简洁规律中演化、诞生?我们所熟知的物理规律的应用,都只能是针对某个具体的场景,预判它的属性、功能,下一步会发生什么,但却从未能告诉我们,世界如何在时间的长河里演化至此。

《复杂生命的起源》作为一部新近出版的科普,高屋建瓴地结合迄今为止生物领域的发现和认识,把这个“大问题”和对它尝试做出的回答讲得很丝滑、很系统、很清楚、很好看、很启发人。

说一下最给我启发的几个点:

首先,在分子层面上,作者指出问题的关键是“质子梯度”。“使用质子梯度是地球所有生命的共性;质子动力和DNA遗传密码一样,都是生命的基本特征。”ATP的合成这个精巧的质子动力“泵”就是一个很好的例子。(hhhhhh我至今还记得几年前听小蕙蕙讲ATP合成酶像一个旋转马达一样的结构,然后向我安利《得到》上的生物课)

其次,在细胞层面,作者用很长的篇幅在探讨细菌、古菌和真核生物之间神秘的演化空白。作者发问:真核生物如何形成?并提到:内共生。即真核生物是通过两个原核生物发生内共生作用而诞生的。内共生假说其实也很老了。但妙在作者指出:“为什么当一个细胞进入另一个细胞体内后,会彻底改变原核生物的命运,释放出真核生物无尽的复杂性呢?有一个很关键的原因,而它与能量有关。”
“化学渗透偶联在能量方面的优势,足以解释为什么它的核心地位历经30亿年而不变。”
作者指出:平均每个真核细胞比细菌细胞多了5000倍的能量!这些多出来的能量用来干啥了呢?直接用于DNA复制的并不多。单细胞生物复制DNA,大概只用到总能量的2%,细胞把多达80%的能量用于合成蛋白质。真核生物是如何摆脱能量桎梏的?
作者说:“只有两种原核生物之间的内共生作用,才能打破加在细菌和古菌身上的能量桎梏。而原核生物的内共生本身又是演化历史上极其罕见的事件。
首先,“细胞里的所有基因组是彼此完全一样的拷贝。同一细胞内的众多基因组即使出现差异,经过数代以后,也会像杂音一样消失。但如果是细菌个体之间彼此竞争,情况就完全不同了。”细菌在演化中要积累生长速度上的微小优势,一个办法是从基因组中丢弃一些暂时不用的DNA。但是环境在变,之前不用的基因,现在可能又有用了。“缺了它,细菌现在无法生长,除非通过水平基因转移再次获取。这种丢弃又重新获取基因的动态变化不断轮回,主导了细菌种群的构成。随着时间推移,细胞基因组的大小会逐渐稳定为一个最小可行的尺寸,而单个细菌可以随时从一个大得多的宏基因组(整个种群的基因总和)中获取基因。”对细菌来说,长远来看,这种基因动态共享策略十分成功。
而设想一群细菌类的内共生体:关键差异在于环境的稳定性。外部的自然环境时时都在变动,但细胞质是非常稳定的环境。“自由生活的细菌那种无限的基因得失轮回,现在被另一种趋势取代:大部分的基因会被逐渐丢弃,基因组趋于即简化。在这里,不需要的基因就永远都不需要了。内共生体可以永久地丢弃它们。基因组单向萎缩。”
丢掉基因的一个直接好处,是令内共生体加快复制,还可以节省ATP。省下来的ATP就可以花在别的地方,比如细胞骨架,等等。实际上,线粒体已经几乎丢光了自己的基因。“线粒体制造ATP的能力与它们独立生存的祖先一样,同时还可以大量减少普通细菌生活所需的一般能量开支。真核生物细胞可以说拥有了多个细菌的能量,又节省了细菌蛋白质合成所需的能量。
线粒体是通往复杂性的关键。这些保留下来的线粒体基因坚守现场,紧挨它们为之服务的生物能量膜,如同军事术语“青铜控制”。

再次,作者走向更宏观的层面,探讨了性和死亡的演化起源。群体遗传学家Sally Otto和Nick Barton指出:当基因突变率很高、自然选择压力很大,以及种群中充满基因多态性时,有性生殖的优势最大。作者还指出:两性最深刻的差异之一,在于线粒体的遗传。只有一种性别会把线粒体传给下一代,另一种则不会。一种始于几十年前的流行观点认为:假如基因不同的线粒体混在同一个细胞内,就会恶性竞争,繁殖最快的会占优势,即便危害宿主、导致某种“线粒体癌症”,也在所不惜。线粒体之间的自私冲突,“煽动”了有性生殖。作者曾认为:真正的原因或许在于,线粒体基因必须适应细胞核基因。“要让呼吸作用顺利进行,线粒体基因和细胞核基因必须密切合作。两个基因组中任何一个发生突变,都会影响个体的健康。线粒体的单亲遗传,原因很可能在于改善两个基因组之间的相互适应。”但是作者的博士生Zena Hadjivasiliou的研究显示:单亲遗传的基因在种群中很难扩散,更不可能达到固定状态。直接就把作者的原观点否定掉了。
物理学博士生Arunas Radzvilavicius的研究基于植物和海绵、珊瑚等等早期出现的动物的线粒体突变率很低这个前提,指出:增加多态性对种系的品质来说是有利的,但是对成体的健康,很可能是毁灭性的打击。一个成体有越多的组织,就月有可能在某个关键组织中积累最糟糕的线粒体。要降低成体组织的多态性,最简单的办法是从一开始就让卵子具有更多的线粒体。
但如果线粒体突变率增高,又会发生什么呢?这种情况下线粒体突变会快速累积,后期形成的生殖细胞会充满线粒体突变。在高突变率的条件下,造成生殖细胞早期早期隔离的基因会在种群中广泛传播。“早在胚胎发育时期,线粒体就被深藏在卵巢中的初级卵母细胞内,连同细胞一起被隔离。卵子中的线粒体作为遗传‘模板’存在,出于不活动状态,突变率较低。”
综上,作者指出:线粒体的遗传问题造成了两性之间绝大多数的真正差异。


不会写总结段哈哈哈哈。就这样。吃我安利!

方馆(小水站)的站主。可能是一只猫,也可能是一只鸽子。也可能是一只会用膜法变成鸽子的猫。不过谁知道它是一只会梦见自己变成了鸽子的猫,还是一只会梦见自己变成了猫的鸽子呢?
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