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生命——无比美丽的奇迹

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发表于 2010-5-26 09:48:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
文:风雨书斋

生命现象是最普通不过的了,人们早已见怪不怪,也可能完全不当一回事了。但是,如果仔细想想,生命确实非常奇妙。首先,只有生物才能进行繁殖,或者说自己拷贝自己,蛋糕搁上几天就长霉,大家都不感到奇怪,不过是霉菌在上面一变二、二变四,..,不断繁殖的结果。但是,除了黑客恶搞出来的电脑病毒,所有非生物就都没这般能耐。谁也不指望自己钱包里的钞票能自个儿一变二,二变四的翻番。

说来也有趣,地球上所有的生物,从自以为聪明智慧的咱们人类,到普通的动植物,乃至微不足道的细菌和病毒,大家使用的都是同一套生命系统。这套系统主要依靠DNA、RNA和蛋白质三大台柱来支撑。这三大台柱维持了生命的繁衍和生息,无论是人类,还是细菌和病毒都一样,现在一一简单介绍。

一.   维系生命的三大台柱

1.生命之精髓的DNA

DNA像是一部“天书”,生物的所有遗传信息全都珍藏在里面。而且,所有生物的DNA都使用同一套“文字”来“书写”,书写的内容不同,后果也就大不一样,有的长成人,有的就只能长成猫和狗。DNA在生物体内还是一位总司令,能按照自身所带的遗传信息,指挥生长发育和繁殖,该长成神经的地方就长神经,该长成毛发的地方就长毛发。DNA能拷贝自己,一本“天书”拷贝成两本,两本拷贝成四本…,细胞或者细菌也就跟着一变二,二变四。世界上已经知道的化合物数以百万计,很多是自然界天然产生的,也有是化学家在实验室里摆弄出来的。说来也真奇,数百万大军中,无论是天然的还是人造的,有这番能耐的就只有DNA这一家子,再无分店(注1)。

任何一部书,必须由三部分组成:白纸、写在纸上的字以及把纸连到一起的缝线。

DNA也需要这三件东西。 不过,DNA的“白纸”是非常微小的化学分子,结构类似于平常的食糖,区别是食糖分子有6个碳原子,DNA的“白纸”只有五个碳原子,化学上属于戊糖(注1)。戊糖的四个碳原子和一个氧原子绕成一个环,剩下的一个碳原子像条小尾巴似的挂在环外面,模样像英文字母“Q ”。

DNA的“书写”字母只有四个,比起汉语拼音26个字母来要少一些,但也完全够用。电脑程序只用“0”和“1”两个符号,也一样管用。这四个“字母”都是带碱性的分子,所以被称为碱基(注2)。

DNA的每张“白纸”上只让“写”一个“字母”上去(没关系,元宵节灯会,每个灯笼上常常只写一个字,一长串灯笼连到一起,就成了“恭喜发财”之类的讨吉利句子。)事实上,DNA的“字母”并不是“写”上去的,而是垂直“粘”到“白纸”的边缘上的。

“白纸”上“粘”好“字母”后,往下就得把“白纸”串到一起了。扮演串线角色的是磷酸。磷酸似乎没硫酸、盐酸那么出名,但是,只有它才能够扮演好串线的角色,其它的酸在这里都不顶用。磷酸伸出两条“手臂”,一条“抓住”一个Q的尾巴,另一条抓住另一个Q 的环儿,就把两个Q 串到了一起,另一个磷酸再把这两个串好的Q与另一个 Q串起来,就这样一个连一个的串下去,最后形成了一长串,每个Q 上都粘了一个“字母”,于是,就表达一定意义了。

不过,这些作为“字母”的碱基都不是安分守己的家伙,如果暴露在外,就很容易与别的来路不明的家伙勾勾搭搭,这样的话,这本天书就等于粘上了无数肮脏,再也不管用。所以,书页必须合起来。DNA采用互相交缠的双螺旋办法来解决:两根DNA单链相互盘成螺旋状,双方的碱基都一律朝里,与对方另一条单链上的碱基互相成对。这样,DNA 就像一个旋转楼梯:“白纸”和缝线构成楼梯的外面的两道边,一对对碱基就像里面的梯级,被包裹在DNA内里了。

DNA指挥生命生长发育和繁殖的全过程,长细胞、长骨骼,从大脑到毛发,不但位置不能搞颠倒,时间也不能错位,所以,包含了大量的指令信息。人类的DNA里面总共有数十亿对碱基,长度大约有1.8米,不可能直挺挺的插在人体内,其它生物的情况也类似,所以必须将它们“打包”。帮DNA打包的是蛋白质。动植物的DNA在蛋白质的帮助下,先绕成长串小珠,再绕成圈,再绕成玫瑰花结样式,再卷成螺线管,最后被塞进染色体里。人类共有46条装有DNA的染色体,统统被装进了细胞核里面。今天的科技能将一个图书馆的藏书内容都压缩在一张光盘里,已经是非常了不起了,而DNA包含每个生物一生的生长发育和遗传的全部信息指令,压缩在只有显微镜才能看到的细胞核里。成年人身上共有数以千亿计的细胞,每个人的每个细胞里都藏有同一套“版本”的这样的“天书”,多么了不起的一项伟大工程!

2.作为优秀助手和建筑材料的蛋白质

蛋白质在生命系统里,既是帮助DNA得力助手,又充当建筑材料。没有蛋白质帮大忙,DNA这个总司令就像根烂草绳那样毫无作为。各种蛋白质还是构成我们身体的肌肉、骨骼、血管、神经、毛发….所有各部分的基本材料。各种各样的蛋白质,如:蛋白酶、胰岛素、血清蛋白、免疫蛋白等,在身物体内帮助运动、促成化学反应、传递信号、储存食物和能量、抗击外来入侵…,发挥的功能多得数也数不清。但是,尽管蛋白质大多是多面手,但毕竟不是千手观音,它们的专业分工非常明确细致,往往一件事要好多个蛋白质协同工作才能完成。即使简单如单细胞的大肠杆菌,都有3000多种不同的蛋白质分子,而且,其中很多种类有多得数都数不过来个分子来负责里面的各项任务。而人类的基因至少可以合成几十万种蛋白质,它们在细胞里各司各职,分工明确。但是,即使有几十万种蛋白质,如果一个蛋白质只能做一件事,还是远远不够的,实际上往往一种蛋白质能发挥好几种功能,我们的生命调剂系统会非常巧妙严格的按照当时当地的需要,让它们把相应的功能发挥出来。生命系统的操控功能简直巧妙到了极致。还有奇妙的是,各种各样的蛋白质虽然千差万别,但是,都是由20个氨基酸合成出来的。

氨基酸是一种化学分子,分子一端的碳原子上,一边连接一个带碱性的氨基,另一边连接一个带酸性的羧基。酸和碱遇到一起是会反应的,两个氨基酸遇到一起,其中的一个的氨基与另一个的羧基发生反应,扔掉一个水分子后,两个氨基酸就连接到一起,各自剩余的羧基和氨基还可以跟别的氨基酸继续反应。这样,20种氨基酸一串二,二串四,……,串成各种各样的蛋白质。蛋白质分子有大有小,平均由300多个氨基酸组成。

3.作为操作手的RNA

DNA没有蛋白质帮忙就动弹不得,反过来,如果没有DNA,蛋白质连影子都不会有。蛋白质必须完全按照DNA的指令来合成。不过,DNA就像所有的总司令一样,从来是动嘴不动手的,合成蛋白质的任务,是由DNA交给另外的一个重要帮手RNA来具体完成的。RNA在生命系统中,主要担任操作手的任务。

RNA的化学组成和DNA大同小异,也有四个碱基,最主要的区别是,DNA是双链的,而绝大多数RNA是单链的(注3 )。

合成蛋白质过程大体是这样的:在酶蛋白帮助下DNA合成出样板RNA,在样板RNA上有从DNA转录下来的专供合成蛋白质的信息; DNA还合成了一批当小工的RNA,这些小工RNA获得执行命令后,就立即四处奔跑,搜寻合适的氨基酸,并把找到的氨基酸带到作为合成样板的RNA上;然后合成出需要的蛋白质来。要知道分子的环境远不是风平浪静的。了解布朗运动的人都知道,花粉在水里会不断的到处乱窜,这是水分子对花粉颗粒撞击的结果。对于小工RNA来说,犹如一只小木船在刮十二级台风的惊涛骇浪里穿行,大海里到处都是猛烈碰撞的大大小小障碍,小工们必须在这样的条件下找到目标——合适的氨基酸,然后一路“扛”到样板RNA边上,用跋涉千山万水,克服千难万阻来形容,都一点也不过分的。“扛”来后,还未必就完事,还得等轮到你的号,没轮到号的,还只能在一边排队等候。这些小工的任务真是要多难有多难。制造蛋白质全部过程,包括:合成样板RNA,小工RNA和最后合成蛋白质,都少不了蛋白酶的帮助。而蛋白酶也是一种蛋白质,也需要这样来合成,…,鸡生蛋,蛋生鸡,没有蛋哪来鸡,没有鸡哪来蛋?

细菌繁殖和动植物生长都靠细胞分裂,在此之前DNA首先要完成自我拷贝。DNA拧成双螺旋,动植物等高级生物的DNA还经过一层层的“包扎”,整个过程必须将“包扎”适当松绑,双螺旋打开,根据DNA上面的指令,RNA去找到带合适碱基的片段,搬运过来,在原来的DNA旁,按葫芦画瓢对照着一个个连接成新的DNA,最后和原来的DNA分离,至少有十多种酶一起协同工作才得以完成

二.原始生命诞生必须闯过道道难关

古时候许多民族误以为,生命可以从无生命状态下诞生,例如腐烂的东西中生出诸如蛆虫之类的生命。然而,法国科学家巴斯德的一系列实验彻底粉碎了这种梦想。今天地球上的任何生命,包括最简单的细菌、病毒,也都只能由生命来诞生。每一条生命都必须由它的爹妈生出来,石头里蹦不出孙悟空来。然而,既然要谈原始生命的诞生,因为地球开初之时是一个炙热的火球,任何生命都无法存活,所以,就非得从无生命状态下诞生生命的可能性来进行。

大约35亿年前,地球上诞生了原始生命。当时地球大气里弥漫着甲烷、氢和氨,今天生命不可缺少的氧则非常稀少,所以也没有臭氧层,生命杀手的紫外线可以长驱直入,天空电闪雷鸣,地上火山爆发,熔岩滚滚,这就是当初原始生命诞生时的地球环境。今天所有生物都共同使用DNA、RNA和蛋白质这一套系统,作为他们老祖宗的原始生命,理所应当也是使用这一套系统,然后才可能繁衍发展成为今天各种生物的。DNA、RNA和蛋白质三者互相依存,少了其中的任何一个,另外两个就完全不可能出现。但是,如果说DNA、RNA和蛋白质这三者一开始就在当初地球的某块宝地同时诞生,就好比是天方夜谭,没人会相信。那么,这三个中到底是哪一个先出现,另两个是由它繁衍出来的呢?现在,有三种不同的观点,或说先有DNA后有RNA和蛋白质,或说先有RNA后有DNA和蛋白质,或说先有蛋白质后有DNA、RNA。三种观点争论不休,都有些蛛丝马迹的理由,但也都拿不出真正过硬的证据来。现在,一一分析讨论。

首先,横在面前的第一道难关——原料的产生,就休想指望轻易过得去。

DNA、RNA和蛋白质这三者的基本原料都是有机化合物。这些基本原料比起DNA、RNA和蛋白质这些巨无霸来,都是些小不点儿,但是,就是这些小不点儿也不是好对付的。化学家们把化合物划分成两大类,一大类为无机化合物,另一大类成为有机化合物。原因是那些无机化合物,如:酸、碱和盐很容易通过简单反应得到,而那些所谓的有机化合物,结构往往复杂得多,历史上化学家们无论是在自然界还是在实验室里,根本没观察到可以从无机物中产生出任何有机化合物的蛛丝马迹。因此,长期以为有机物只能从在生命体内产生。直到1828年德国化学家武勒的一次实验中,从无机物中反应产生了尿素。尿素是一种典型的有机物。化学家们这才认识到,有机物是可以从无机物那里得来的。今天,化学家们对有机化学反应早就轻车熟路了。对有机化学反应必须掌握这些诀窍:合适的温度、压力和催化剂。其中的催化剂是一大关键。催化剂犹如化学反应的媒人,所以也被称为触媒,没有合适的催化剂说合,原本该相互反应的东西,就如彼此没看见一样,即使呆在一起一万年,也没多少长进。

不同的有机化学反应,要选择不同的催化剂,化学家们的手中的催化剂往往需用到地球表面稀缺的铂、银等贵金属。这些催化剂还很容易中毒,一旦中毒就立刻乌呼哀哉,媒人再也当不成。一方面催化剂得之不易,很易中毒,而能让它们轻而易举中毒的硫之类东西,地球表面倒是遍地开花。

有机化学反应的副反应多,很多您不想要东西跟想要的东西一起反应出来,事后还不得不想尽法子把它们分离出去。石油化工厂的一座座高耸入云的高塔,就是利用不同化合物的沸点差来进行产品分离的。

在基因和DNA发现之前,很长一段时间里,人们认为是蛋白质构成了生命。二十世纪五十年代,米勒等人制造了一套仪器,按照推测来的早期地球大气成分,模仿大气中的闪电放电,居然得到了少许氨基酸。氨基酸是蛋白质的基本原料,所以,这一成果轰动一时。然而,蛋白质需要的氨基酸共有二十种之多,大部分的结构相当复杂,靠胡乱的放电再也摆弄不出来,原料依旧还是缺胳膊少腿。更有甚者,有批评者指出,当时的地球大气并非完全缺氧,事实上靠闪电电出来的那些氨基酸,在有氧的条件下会很快就分解掉,很可能连这点可怜的本钱也保不住的。

至于DNA和RNA,情况就更加不妙。供“写字”的“白纸”——脱氧戊糖和戊糖,与甲醇属于同一系列。甲醇是一种很简单的有机化合物,是这个系列中的最小的小弟弟,结构非常简单,只含有一个碳原子,但是,即使这样的小弟弟也不是能轻易摆弄出来的。工厂里用无机的一氧化碳和氢气为原料生产甲醇,必须在400度高温和200个大气压下,再用氧化铬和氧化锌做催化剂,才能制造出来。戊糖有五个碳原子,而且还自个儿内部绕成了环。合成的难度更是可想而知。而碱基则更加复杂,化学家们即使在设备齐全的实验室里,都要经过一道道工序,费好多好多功夫才能合成它们。每一道工序的温度、压力和催化剂都有所不同,每干完一道工序都得想尽各种办法把产品和各种副产物分离开来,否则,以后的反应就休想顺利进行。自然环境下能有这样的条件?所以,地球上从古到今,都找不到一块风水宝地,能从无机物自然生成戊糖或是碱基来。

连原料都过不了关,岂不成了无米之炊?空中楼阁一样的空说空话,能有什么谈的?不过,姑且先放一马,硬着头皮再继续往下走。

横亘在面前的第二道难关是原料的聚合。

即使,蛋白质所需的氨基酸和DNA、RNA的戊糖和碱基都已经产生出来,然而,蛋白质所需的氨基酸共有20种,DNA、RNA的戊糖和碱基等有机原料也各有五种,这些好汉不可能在同一块地方齐刷刷一起出现吧?如果不是在同一地方诞生,那么又是谁能把它们赶到一起来聚头?即使能聚到一起,恐怕也不会有供这些好汉们替天行道的聚义厅。

蛋白质是由氨基酸合成的,但远不是简单地将氨基酸一个个“串”起来就能合成蛋白质的。20世纪70年代,福克斯等人使尽浑身解数,用极为巧妙的加热技巧,将一些氨基酸串联到了一起。福克斯等人因此大喜过望,将成果发表在科学杂志上。然而,他们得到的不过是一团团黏糊糊的东西,既无有规则的氨基酸序列,也没表现出任何生物活性,根本谈不上是蛋白质。

难度极大的一个问题就是氨基酸们具有立体结构,同一类氨基酸有左右对称的不同两种,就像我们相互对称的左右手那样。左右对称的两种氨基酸的所有物理、化学性质完全相同,因此,休想单凭物理或化学手段将它们分离开来(例如,即使建造成千上万座石油化工厂里的那些高塔,都不可能将任何一对左右对称的氨基酸分开来。)然而,左右对称的两种氨基酸在生物学功能方面却大相径庭,除了极个别例外,构成蛋白质的氨基酸全都是“左”型的。由于物理化学性质完全相同,在自然条件下,相互左右对称的两种氨基酸将以同样的机会出现。要专门挑出左的来,就像将一副扑克牌洗成两垛,其中一垛必须都是红桃和方块。想象一下,得洗多少次牌,才能偶然得到一次这样的结果?一副牌中只有26张红牌,稍微像样一点的蛋白质中的氨基酸少则也要上百,都必须是左型的,随机成功的机会要比52张扑克牌洗出一垛26张全是红牌来,真不知道要小多少。一方面机会如此之小,而周围的客观条件却不会等你,氨基酸上的酸性和碱性部位都是活跃份子,还没有找上它们,就早已经和周围的其它酸、碱等乌七八糟的东西勾搭抱团,再也不会让你串上去,局面早就一塌糊涂不可收拾了。

即使把左型的氨基酸全挑选好了,更难的问题还在后面。构成蛋白质的氨基酸共有20种,稍微像样一点的蛋白质至少要由上百个氨基酸来合成。20种氨基酸进行上百次随机组合的可能性多达20的100次方!而具有生物学意义的蛋白质也就是百万种吧,数量级不过是10后面跟上6个0,与20自乘100次简直小得太可怜了。即使把原始生命的蛋白质所需的氨基酸打个对折,比如说只要10种,产生一个这样的蛋白质的机会也是 1比1000000000……(共计90 多个0)。数学家面对如此之小的可能性,必定会大摇起头来,斩钉截铁的说:“这种事情绝不可能发生!”(小概率事件事实上不可能。)因此,凭借自然界的纯粹随机反应,只可能产生毫无生物学意义的东西,产生蛋白质的可能性几乎为零。

然而,即使按要求将所有的氨基酸连接起来,还不过是一串长长的一级结构蛋白质,依然还不具备任何生物学功能,必须再经过二级、三级乃至四级复杂精细的打理和折叠,只有三级和四级蛋白质才具有生物学功能。然而,要构成三级结构,就必须有硫元素等的帮忙。而硫又是各种有机催化剂的致命杀手!
由此可见,福克斯只拿到一团团毫无活性的粘糊糊的东西,就一点也不奇怪了。

话头转到RNA和DNA上,细胞里面有一些构成它们的游离的基本单元,这些基本单元由作为“白纸”的戊糖、作为“字母”的碱基以及作为“连接线”磷酸连在一起构成(注4)。第一步,当然是要把“字母”粘到“白纸”上去。有位化学家将戊糖和碱基一起加热,粘是粘上去了,可是奇迹并没有出现,得到的东西驴唇不对马嘴(注4)。简单的加热并不能解决问题,自然界怎么总爱挑难啃的骨头?

即使手头上有了一大批基本单元,要把它们连接成长串的DNA和RNA也远非易事。每个单元上都有多处活跃点,哪一处都会进行不相干的反应,要互相连接到位,谈何容易。1956年,霍拉纳(khorana)选择了几种不同的化学药剂将这些DNA单元上的活跃点统统“封包”起来,再采用定向聚合的办法,终于将两个单元连接到了一起。由于工作难度极大,霍拉纳因此获得了1968年度的诺贝尔生理学奖。今天已经有自动化仪器将这些DNA单元用人工办法连接起来。在这种先进的仪器中,各个单元上的活跃点统统用相应的化学保护剂保护起来,然后,每连接一个DNA单元,都必须进行脱去保护基、连接、封端和氧化等四个步骤的反应,每个单元的连接耗时大约7~10分钟。速度仅为大肠杆菌复制速度的几十万分之一。帮忙参与的化学药剂多达十余种,大多是复杂的有机化合物。可是,大自然哪能找到那么多的“义工”心甘情愿的集中到一起来干这种“义务劳动”?另外,即使是最简单的噬菌体DNA都是由好几万个这样的单元串联起来的,细菌的DNA的这些单元则高达数百万以上。要想成就一番事业,原始生命的DNA总也需要成千甚至上万个单元吧?霍拉纳仅仅只连接了两个单元,其难度之大,就足以让他成为诺贝尔学奖得主。那么,没头没脑的自然界怎么能自发地将成千上万个单元串联起来的呢?

即使有办法将这些单元连接起来,但是RNA的寿命很短,诞生不多久,还来不及干什么事就一命呜呼了,而DNA是双螺旋结构,必须有两根单链互相配对,两根单链之间的甲、乙、丙、丁四种碱基必须严格按照甲-乙配和丙-丁配,才过得了关,否则就对不上号,休想对得起来(注5)。好不容易才有了一根,近旁还要同时有一根与它严格配对的,天底下哪来这么样的巧事?

可是,更大的难关还在后面。

一只猢狲坐在电脑前在键盘上乱敲,绝大多数都只能是毫无意义的字母排列,或许极其偶然地能敲出一小段短句来,至于像《红楼梦》那样的巨著,这只猢狲就是敲上亿万年,也休想倒腾出来。DNA内的碱基作为“字母”是用以表达基因的,生物细胞中的DNA可以携带数千个甚至几十万个基因,即使简单如细菌,它们DNA中所含有的碱基也达到2百万到6千万对,相当于一部上百万字,甚至是成千万字的巨著。这本书,原始生命能自动凑得出来?

即便是合格的DNA、RNA和蛋白质都到了手,还有它们之间相互对应的难关等在后面。

DNA和RNA毕竟不是完全相同的,它们之间有三个碱基是相同的,剩下一个碱基互不相同,居然也能对上号。而DNA的碱基和蛋白质的氨基酸,更是风马牛不相及的两类不同的化合物。DNA只有四个碱基,而组成蛋白质的氨基酸倒有20种之多。4种碱基对20种氨基酸,就好比两种完全不同的“语言”,必须有一个翻译过程。国际上两种不同语言的翻译,经过开初的比划和实物对照,再经过一代又一代翻译家们的艰苦劳动,才能完成。而在缺乏实物对照的情况下, 翻译就非常难了,一些已经失传的古代文字,今天即使有超大型计算机帮助,还是读不懂。非常有趣的是,DNA和蛋白质之间的语言翻译,一点也没问题:DNA的每3个碱基构成一个组合,4种不同的碱基形成64种不同的组合。其中,除了3个组合作为“休止符”外,其余61种三位一体的组合,有的一对一,有的几对一,全都与蛋白质中20种氨基酸相应对上号,既没有漏号,也没有错到外面去。理论上,氨基酸的种类可以无穷多。如果,漏号或对到非蛋白质所需的氨基酸上去,那将产生什么样的后果呢?什么乌七八糟的东西都会有,就是不会是蛋白质了。

事情还远远没完,往后还需把所有的零部件高效组织起来的难关要过。有了显示器、硬盘,主板和内存条这些东西,还必须将它们组装起来,才能成为可供使用的电脑。简单如单细胞的大肠杆菌里面就有3000多种不同的蛋白质,有的在只有区区10多个,有的竟有50多万个,统统组织得有条有理,容易吗?而人类基因可以编码的蛋白质多达几十万种!构成一个原始生命,同样需要有一个组装过程,而其复杂程度,恐怕远远要超过组装一台电脑,否则,科学家早就可以利用手头上现成的DNA、RNA和蛋白质组装出一个小小的生命来。

原始生命诞生,还得有一个合适的相对封闭的环境,否则,周围各种各样乱七八糟的东西会源源不断闯过来捣乱,好不容易收集和生产出来的原料也会跑得不知去向。细菌是使用细胞膜把自己包裹起来的,以保障与外界进行一定程度的隔离(病毒虽然没有细胞膜,但是,病毒是寄生性的,不能独立繁殖,所以,怀疑是某些细菌退化的结果。)原始生命能有这样的环境条件吗?

因此,原始生命的诞生是非常非常难的。以上仅仅是非常粗浅的介绍了极少数的一些内容。今天,科学家们上穷碧落下黄泉,从地球上到太空中凡是能搜到的每一个角角落落,都没能发现有哪块风水宝地,能诞生出新的原始生命来。吴承恩的《西游记》里,唐僧一行四人去西天取经,历经八十一次劫难才拿回了经卷。原始生命的诞生,要闯过的难关恐怕还远远不止八十一道。今天的化学家每闯过一道关口,就可能得到一项诺贝尔奖。

三.生命体系的无比高效率和复杂性

即使是单细胞的细菌,结构也是非常复杂的,其中DNA的碱基就有数千万对,各种不同种类的蛋白质多达数千种,其中很多种蛋白质的分子多达好几十万,还有以这些材料为基础构成的各种各样的细胞器。前面已经说过,即使合成一个蛋白质都是非常艰难的任务,可是,在营养条件合适的情况下,细菌只要几十分钟就可以繁殖一代。也就是说,从吸收消化原料开始,将总数达亿万之多的“产品”统统变成双份,还需将它们构成各种各样的组织和细胞器,再一分为二诞生出新的一代。如此巨大的工作量,细菌只消数十分钟就统统搞定。速度之快,让今天的人类望尘莫及。以碱基复制为例:大肠杆菌的DNA碱基复制速度高达每分钟15000~60000个。足以让电脑输入的顶尖高手羞愧得无地自容。电脑输入可以同时使用10根手指,按下去就行。而碱基复制却必须是十多个“人手”十分复杂的配合行动。动植物的DNA的复制,由于必须将“包扎”松开和重新包扎,每分钟为1000~3000个碱基,比细菌的要慢,不过,可以在20~80 处同时进行复制,所以,总的速度仍然不慢。但是,要让20~80处同步进行,又谈何容易!尽管复制碱基速度如此之快,差错却极少。例如,大肠杆菌的复制差错率仅为十亿~百亿分之一,人类制造航天飞机都无法达到如此低的差错率。即使如此低的差错率,后面,还跟有修补和纠正差错的步骤。一旦出错就可能性命交关,绝对马虎不得。人类细胞中的DNA更可以合成数十万种不同的蛋白质。实际上,把全世界的化工厂进行的所有的化学反应加起来,也远远不能和单个细胞内的化学反应的种类和复杂相比。单个细胞内部运转的自动化程度,也是任何一家现代大型的石油化工、汽车、飞机制造工厂所望尘莫及。可以说,迄今为止人类最伟大的系统工程,阿波罗登月计划的复杂程度,都远远不能与一个单个细胞内进行的过程相比。

细胞内部的许多物理、化学物理过程,也远远超出了今天人类的科技水平。例如,今天化学家们需要用铂、银等贵金属作为催化剂在高温高压下才能完成的化学反应,蛋白酶只要在常温常压下就能轻松摆平,而且,效率比化学家们高得多得多。

今天,化学家能够制成一种被称为离子膜的膜。这种膜只允许带某一种电荷的离子通过,而将带相反电荷的离子阻隔在外。由于是对显微镜下都看不到的化学分子进行过筛,所以,是了不得的高科技成就了,如今世界上只有少数几个国家能够生产这种膜。如果要将带同种电荷的离子,做到拦一种放一种,那困难肯定要大不知多少倍,目前的科技水平还根本做不到。而神经细胞膜在不到百分之一秒的时间内,一会儿只让钠离子通过,一会儿又只让钾离子反向通过,从而产生电脉冲。正是采用了这个非常复杂和巧妙的办法,神经信号才能以“数字”方式传输,保证信号的不失真。(如果,神经信号传递采用的是模拟方式,那么,传进我们的脑子里的任何感觉信号都将是一笔糊涂账。)钾离子和钠离子都是带的正电荷,要在极短的一瞬间,一会儿让这种通过,一会儿让那种通过,难度之大可想而知!连一个神经细胞膜都如此复杂,更何况人类的大脑!

多细胞生物由单细胞进化而来。人类的两个公司合并,都要花很大力气。30多亿年来,单细胞生物过的都是独来独往的单身生活,内部分工细致明确,结构自成体系,复杂程度远非公司可比,要把它们组合成一个多细胞生物,有的当头,有的只能心甘情愿的去当尾巴,神经、血球、肌肉..千差万别,每个细胞都必须进行大量的自我改造和相互适应,才能构成统一的一个大系统,任务之艰巨,简直难以想象。但是,仅仅只有几百万年的时间,多细胞生物和各种门类的动物在寒武纪的生命大爆发里诞生了。生物进化从此如奔腾之江河,一发而不可收拾。

四.结束语

35亿年前地球上诞生的原始生命,经过35亿年的繁衍和进化,其根本性的东西,如:碱基、氨基酸、蛋白质、RNA 、DNA等等,今天依然为千千万万个物种所共有。这是今天唯一的一种生命形式,再无别的形式的生命与之竞争。(幸好如此,每年冬春之际必然要大闹一场的禽流感和当年的SARS,都不过是原有的病毒变种,就搞得人类焦头烂额,如果,不断有新的莫名奇妙的什么ENA或者FNA之流的生物冒出来与咱们争地盘,后果只有天晓得了。)

对于宇宙结构的精确性,有人用宇宙经历了无数次大爆炸,我们的宇宙不过是其中万分侥幸的一次,来进行搪塞。可是地球只经过短短的10亿年就自发诞生生命,迄今为止没有发现,有过任何多次诞生各种其它生命形式的“试验”证据。

有人提出地球上的生命是天外来客,是某块陨石带过来的。可是,即使是宇宙年龄那样长的时间也未必够用。难道是从别的宇宙通过黑洞穿过来的,可是,任何生命一旦进入黑洞就会被撕得粉碎,不可能闯得过来的。

一套方案也仅仅只有唯一的这一套方案,居然就“一炮打响”,不但开了个好头,而且具有几乎无穷无尽的发展潜力,以其为基础,持续发展至今35亿年,从单细胞生物演化发展到多细胞生物,到动植物,到进化出有高级智慧的人类,发展出千千万万个物种。如果说是远见的话,那是何等伟大的远见!

这一切是不是达尔文所说的“第一因”的智慧结果呢?假如是一种智慧,与这种智慧相比,人类的智慧真是太渺小,太微不足道了!

生命之花极其来之不易,也非常美丽,是非常珍贵的,好好珍惜吧!

注1, RNA一定条件下也能进行自我拷贝。RNA是核糖核酸,DNA是脱氧核糖核酸,本质上可以看作同一类。

注2, 四个碱基都是环状的,结构要比“白纸”的复杂,环上不但有碳原子,还夹杂着氮原子。其中两个碱基由四个碳原子和两个氮原子绕成一个单环。另外两个碱基是5个碳原子和四个氮原子构成的一个双环。环上还都挂了一些别的原子,因此有所区别。DNA的四个碱基分别为胞嘧啶(cytosine ,C)、胸腺嘧啶(thymine ,T)腺嘌呤(adenine ,A)和鸟嘌呤(guanine,G)。其中嘧啶为单环结构,嘌呤为双环结构。

注3, RNA 的四个碱基与DNA的不完全相同,DNA中的胸腺嘧啶,在RNA里相应的是尿嘧啶,其余三个碱基与DNA的三个碱基是相同的。

注4, 这种小单元被称之为核苷酸。加热得到的是阿尔法型核糖,而RNA中的核糖是贝塔型的。

注5, 对于DNA 的四个碱基,科学界不是用甲、乙、丙、丁而是用G、C、A和T来代表, 两根单链之间的对应位置上,必须严格按照G-C和A-T配对。


作者系列文章载于《风雨书屋的博客》:http://fysw.1942.blog.163.com
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