地球早期生命的形成

什么是生命?

人类所认识的生命是一种半开放的物质系统,由细胞组成。它具有新陈代谢,体内平衡能力。能生长,能回应刺激、自我复制、适应环境;有感觉,甚至有意识。

生命个体,通常都要经历出生、成长和死亡。病毒只有寄生于细胞,才会表现出生命现象,姑置不论。

地球生命基本上由蛋白质、核酸、脂质、糖、维生素等生物分子组成。遗传物质都是DNA和RNA,遗传信息传递方式近似。催化酶都是各种蛋白质,基本代谢途径相同。

从简单的细菌到复杂的人类,在化学成分上存在着高度同一性。

“现时所推测的生命历史还有很多疑点,生命的起源对于今天的人类而言仍是一个很大的谜团”(维基百科)。

科学家们大抵认为,生命来自简单有机分子的化学进化。
许多宗教信徒认为,生命来自神的创造。

聚讼千年,莫衷一是。

事实是,没有人知道生命是怎样来的。

以至于,美国国家科学研究理事会,在2008年把“生命起源”列为地球科学在21世纪初面临的十大挑战之一。

1

最早的生命,似乎诞生于距今大约40亿年前后,也就是晚期重轰炸期(约41亿年到38亿年)之中,或者之后(有些科学家甚至依据在澳大利亚西部的杰克-希尔斯发现的金刚石中包含的碳元素,把这个时间提前到了42.52亿年前)。

科学家们用宙、代、纪、世、期、时来标示地球地质年代,把地球历史分为:

冥古宙(开始于45.7亿年前地球形成,结束于38亿年前)、
太古宙(从38.00亿年前开始,至25亿年前结束)、
元古宙、
显生宙。

生命的出场一开始,就充满神秘。

《维基百科》比较权威的说法是:

在冥古宙,41亿年前,地球表面温度降低使地壳得以凝固,大气与海洋形成。

40亿年前,最早生命的出现,可能是源于能够自我复制的RNA分子。生命的竞争,使更有效率的DNA逐渐成为最主要的复制者。之后它们开始在膜内发展,形成了原始的细胞。此时大气中尚未有自由的氧气存在。

39亿年前,后期重轰炸期高峰:

地球受到小行星及彗星连续撞击,可能诱发了生命的演化,彼时海洋被完全煮沸。原核细胞出现。——它是化能生物,以二氧化碳为碳源,靠氧化无机物来抽取能量。后来原核生物演化出了糖酵解,糖酵解产生了现今所有生物都用到的三磷酸腺苷(ATP)分子来临时储存能量。

到了太古宙,35亿年前,最后的共同祖先出现,细菌及古细菌分裂。细菌发展了光合作用的原始模式,但最初没有产生氧。

33亿年前,能进行光合作用的蓝菌出现,它们以水为还原剂,并排出氧。氧首先将海洋中的铁氧化,产生铁矿石。氧在大气层的浓度上升,对很多细菌都有毒。

生命出现时的环境极其恶劣:

海洋刚刚形成,温度很高;
熔岩等热流,令大海沸如鼎水;
活火山遍布地表,不时喷出火山灰和岩浆;
大气很稀薄,由甲烷、氨、水蒸气、氢、一氧化碳、硫化氢、氮气等组成,氧气很少,各种气体于空中形成朵朵卷云;
因无充足的大气层掩蔽,整个地球曝露在强烈的紫外线下;
不断有小行星呼啸而来,击穿地壳;
云端时有雷电交加,轰击着陆地。

图/冥古宙

到处是浓烟毒雾、水深火热、狼藉遍地,然而最古老的生物化石证明,在那个时刻,生命竟然出现了,出现在了炼狱般的原始地球上(譬如在格陵兰的38.5亿年的岩石中,发现来源于生物体的有机碳。澳洲西部诺思波尔地区35亿年前的燧石中,发现了一些丝状微体化石)。

这是多么的奇异诡谲?

一个天大的问号是:

如果无机物质可以如此迅速容易地形成生命,如果诞育生命是物质的固有属性,如果种种天灾地祸都不能阻止细胞诞生,为何二十世纪、二十一世纪的化学家们费尽九牛二虎之力,迄今尚无法在实验室里重塑生命,或者类似于生命的东西呢?

最早的生命都是原核生物,它的细胞中没有膜围之核和其他细胞器。染色体分散在细胞质中,主要通过二分分裂繁殖。包括蓝细菌、细菌、古细菌、放线菌、立克次氏体、螺旋体、支原体和衣原体等。

图/地球上早期生命(原核生物示意图)

生物分界说法不一,相当混乱。

两界系统(如林耐的植物界和动物界),
三界系统(如赫克尔的原生生物界、植物界、动物界),
四界系统(菌界、原生生物界、植物界、动物界),
五界系统(如魏泰克的原核生物界[包括细菌和蓝藻等]、原生生物界 [单细胞真核生物]、植物界、真菌界和动物界,其中后四界为真核生物)。

有的中国人还画蛇添足,在五界之外另加了一个病毒界,构成六界系统(但基本未获认同)。

魏泰克的分法从纵向看,似乎显示了生命历史的三大阶段:

原核单细胞阶段真核单细胞阶段真核多细胞阶段。在横向上看,显示了生物演化的三大方向:

营光合自养的植物,为自然界的生产者;
分解和吸收有机物的真菌,为分解者;
摄食的动物,为消费者(同时又是分解者)。

分子生物学的发展,用电子显微镜对rRNA和rDNA的序列分析,又衍生出了伍斯和伍夫的三原界系统。他们把生物分为:

古细菌原界(内含古细菌界,包括产甲烷细菌、极端嗜热细菌和极端嗜盐细菌)、

真细菌原界(内含真细菌界,包括细菌和蓝藻)

真核生物原界。(内含原生生物界、真菌界、植物界和动物界)——就是把原核生物,一分为二为古细菌原界和真细菌原界,把真核生物归为一原界,构成现今流行的所谓三大进化谱系。

即认为,生物是三个独立起源的类群;原核生物,在进化上有两个重要分支。

由于生物并非进化而来,以上理论基本上都有问题,对人类有一种潜移默化的误导作用。

这是我们需要加以注意的。

真相大白之后,反进化论的生物分界法,估计也会发展起来。

图/原核生物

在原核生物中,蓝藻(蓝细菌)的产生肯定比较靠后(澳洲西北蓝藻沈积的顶燧石,据推测应有34亿7000万年的历史)。

狭义真细菌和古细菌哪一个首先出现,目前还没有明确的化石证据可以判定。古细菌的新陈代谢方式,似乎与地球最原始最极端的环境相适应,但其内核又更像高等生物,弄得一般习惯于从所谓进化水平上来看问题的科学家们举棋不定,无所适从。

看到谁的所谓原始性状较多,就认为谁出现在先。这是典型的主观臆测,是受到了既有理论误导。

细菌和古细菌其实是同一个神同时所造。投下去一批死一批,你死扣字眼非要问,是谁最先站住脚,存活了下来,我也说不清(可能天宫的档案对此还有记录)。

2

为了讨论生命的出现,我们只好先复习一下中学和大学课程。

细菌是所有生物中数量最多的一类,据估计,其总数约有 5×10^30(10的30次方)个。人体内及表皮上的细菌细胞总数约是人体真核细胞总数的十倍。

如果一个成年人全身有1800万亿个细胞,那么他的身上就会有18000万亿个细菌。

这是多么惊人的数字!

人体皮肤表面、肠道、口腔、鼻子和其他身体部位,我们所呼吸的空气中,喝的水中,吃的食物中,到处都是细菌。

细菌大小

细菌的个体非常小,基本上只能在显微镜下看到(也有肉眼可见的)。原核细胞直径,一般是一到十微米。而真核细胞直径,一般是十到一百微米。许多常见的细菌为0.5~1微米,最小的细菌只有0.2微米长。可供对比的是:人体中最小的细胞红血球,直径是7-8微米(1微米是万分之一厘米)。

细菌结构

细菌一般是单细胞,缺乏细胞核、细胞骨架以及膜状细胞器,如粒线体和叶绿体等。有些细菌,细胞壁外有多糖形成的荚膜。咋一看,结构好像还比较简单。

细菌分布

细菌广泛分布于土壤、空气、水中,或与其他生物共生,也有部分种类分布在极端的环境中。

营养方式

细菌的营养方式,有自养(譬如通过光合作用)及异养。异养的腐生细菌是生态系统中重要的分解者,可以使地球碳循环顺利进行。部分细菌还能固氮。

细菌作用

细菌一方面给人类造成了许多疾病;另一方面,又给人类带来了极大帮助。

细菌可以发酵食物,制造乳酪、泡菜、酱油、醋、酒、酸奶等等。

有的细菌,能够分泌多种抗生素。

许多细菌,能降解有机化合物,清除污染。

蓝藻(蓝细菌)这种光合自养菌,还在制造地球大气的氧气中,起到了重要作用。

没有细菌,实际上也不可能有人类。

细菌繁殖

细菌可以以二分裂法无性繁殖,又可以遗传重组繁殖。

单个细胞会通过突变(细胞自身的遗传密码发生随机改变),转化(无修饰的DNA从一个细菌转移到溶液中另一个细菌中),转染(病毒的或细菌的DNA,或者两者的DNA,通过噬菌体转移到另一个细菌中),细菌接合(一个细菌的DNA通过两细菌间形成的特殊的蛋白质结构,接合菌毛,转移到另一个细菌中)发生遗传变异。

细菌可以通过这些方式获得DNA,进行分裂,将重组的基因组传给后代。

细菌还具有许多种不同的代谢方式。

细菌的高度灵活,往往令某些科学家们产生高等生物可以发生种间跃进的可笑幻想。

细菌分类

大部分细菌可以被分为以下三类:

需氧菌只能在氧气存在的情况下生长;
一些只能在没有氧气存在的情况下生长的,称为厌氧菌;
还有一些无论有氧无氧都能生长,称为兼性厌氧菌。

细菌也能在人类认为是极端的环境中旺盛生长,这类生物被称为嗜极生物。

比如一些细菌存在于温泉中,被称为嗜热细菌;另一些居住在高盐湖中,称为嗜盐生物;还有一些存在于酸性或碱性环境中,被称为嗜酸细菌和嗜碱细菌;另有一些存在于阿尔卑斯山冰川中,被称为嗜冷细菌。

多数嗜极生物属于古菌,但这个词有时候也包含一些细菌和真核生物。有的嗜极生物,还是多细胞的。譬如,嗜冷的昆虫恐蠊和南极磷虾。人类中似乎也存在嗜极生物(呵呵,开个玩笑)。

细菌DNA

细菌的DNA贮存其细胞所有的遗传信息,是这一物种世代繁衍的物质基础。它集中在细胞质中的低电子密度区,一般具有1至4个核质体,多的可达20余个。核质体是环状的双链DNA分子,所含的遗传信息量可编码2000~3000种蛋白质,空间构建十分精简,没有内含子(真核生物的基因含有外显子和内含子,是区别于原核生物的特征之一)。

细菌的DNA复制相当复杂,涉及多种酶和蛋白因子。譬如,大肠杆菌DNA的复制就有三十多种蛋白质参与,还有一些未知因子参与。

图/大肠杆菌质粒的分子结构示意图

许多复制细节还不清楚,许多蛋白质的功能尚不明了。

由于没有核膜,因此细菌DNA的复制、RNA的转录与蛋白质的合成可同时进行。每个原核细胞中一般含有约15000-18000个合成蛋白质的小分子机器核糖体,负责将氨基酸合成为蛋白质多肽链。

在生命体中,DNA这张写满密码(指令)的图纸,只有经核糖体的翻译,每条指令才能得到明确无误的执行。核糖体可以制造成千上万种蛋白质,它们各自拥有不同的形式与功能,在化学层面上构建、控制着生命。

核糖体,被认为是原核细胞中唯一的一种细胞器(“无膜细胞器”)。其核糖体小亚基由16S rRNA和21种蛋白质构成,(rRNA就是核糖体RNA)大亚基由5S rRNA、23S rRNA和34种蛋白质构成。

大亚基和小亚基相互嵌合,组成完整的核糖体。

无论哪种核糖体,在执行蛋白质合成时,常3-5个或几十个甚至更多聚集并与mRNA(信使RNA,核糖体要以mRNA的密码为模板)结合在一起,形成功能团。利用转运RNA(tRNA)运送来的氨基酸分子合成多肽。mRNA的长短,决定多聚核糖体的形式。它可以排列成螺纹状,念珠状等,仿佛拥有智能,非常有趣(大小亚基的聚合与解聚与镁离子浓度相关)。

核糖体对mRNA的翻译过程,是迅速且准确的。在摄氏37℃时,细菌细胞内合成肽链的速度约为每秒连接15个氨基酸。一个mRNA可以连接多个核糖体。当其合成速度达到每秒连接1000个氨基酸时,错误率约为十万分之一。

由此可见,蛋白质的生物合成进行得十分迅速有效,它依靠分子水平上的严密组织和准确控制进行着一切(大肠杆菌每秒钟可翻译20个氨基酸,比真核生物快得多)。

蛋白质的合成必须有mRNA、tRNA、20种氨基酸原料和一些蛋白质因子及酶。Mg、K+离子等参与,并由ATP、(三磷酸腺苷)GTP(三磷酸鸟苷)提供能量,现场非常繁忙。

细菌核区DNA以外的,还有可进行自主复制的遗传因子,称为质粒DNA,所含遗传信息量为2~200个基因。

细菌细胞质中亦含有多种颗粒,起暂时贮存营养物质譬如多糖、脂类、磷酸盐等等的作用。它不是细菌的恒定结构,能源短缺时,动用贮备,颗粒会减少甚至完全消失。

3

细菌犹如一个小型的化工厂,具有合成各种生化产品的能力,在生命活动过程中不断进行着许多特有的化学反应。

许多人认为细菌简单,在我看来,恐怕完全是一种错误印象。

以呼吸为例:

生物呼吸的目的,是在透过释放食物里的能量,通过一连串的反应步骤,把葡萄糖、氨基酸和脂肪酸,分解成更小的分子,制造三磷酸腺苷(ATP),供生命活动使用。

原始地球氧气很少,原初生物的呼吸方式,据估计应该是无氧呼吸。

无氧呼吸的全过程:

第一阶段:

无氧呼吸的第一阶段与有氧呼吸的第一阶段完全相同。即一分子的葡萄糖分解成两分子的丙酮酸(C3H4O3)过程中,释放少量的 H 和少量能量。这已经相当之复杂。

在酵解的己糖阶段,首先是葡萄糖在己糖激酶的催化下磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸,消耗一分子ATP,然后经异构酶催化转换为果糖-6-磷酸,再经果糖激酶催化再次磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸,又消耗一分子ATP;在丙糖阶段,果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶催化下裂解生成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸(两个磷酸丙糖在异构酶催化下可以相互转换),后者在甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化下生成1,3-二磷酸甘油酸,同时使NAD+还原为NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)然后1,3-二磷酸甘油酸在甘油酸激酶催化的底物水平磷酸化反应中生成ATP和3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸经变位酶催化转换为2-磷酸甘油酸,再经烯醇化酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸,最后在丙酮酸激酶催化的又一次底物水平磷酸化反应中生成丙酮酸和ATP。

这一过程,一个分子的葡萄糖,分解为2个分子丙酮酸,净得2个ATP。

第二阶段:在细胞质的基质中,丙酮酸在不同酶的催化下,分解为酒精和二氧化碳,或者转化为乳酸。丙酮酸转化为酒精或者乳酸的过程中并不产生能量。

在厌氧条件下,通过丙酮酸的还原代谢使得NADH重新氧化为NAD+。在酵母的酒精发酵过程中,在丙酮酸脱羧酶催化下丙酮酸氧化脱羧生成乙醛,然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化下被还原为乙醇,同时使NADH氧化生成NAD+。而在肌肉缺氧下的酵解过程中,乳酸脱氢酶催化丙酮酸转化为乳酸,同时也伴随着NADH重新氧化为NAD+。

有氧呼吸每分解1mol葡萄糖,可以释放2870kJ的能量。而无氧呼吸分解1mol葡萄糖,只能释放196.65kJ的能量。对于提供能量来说,有氧呼吸要远远优于无氧呼吸。无氧呼吸的终端产物,是乳酸或酒精和二氧化碳。乳酸的形成,会使动物出现一些不良反应,引起稳态的改变、乳酸中毒等。酒精对植物细胞也有很强的毒害作用,同样远不及有氧呼吸。

4

细菌之外还有古细菌。

古细菌(又可叫做古生菌、古菌、古核细胞或原细菌)与真细菌,几乎同时出现于40亿或者38亿年前的生命诞生之初(实质是同时被造)。

它也是单细胞的无核生物,有球形、杆形、螺旋形、叶状、方形等各种形状。

单个古菌细胞直径,在0.1到15微米之间,有一些种类形成细胞团簇或者纤维,长度可达200微米。

很多古菌生存在极端环境中,一些生存在沸腾的热泉或者海底黑烟囱中,一些生存在很冷的环境如极地冰盖下,许多生存在高盐、强酸或强碱性的水中;也有些古菌是嗜中性的,能够在沼泽、废水和土壤中生活。

很多产甲烷的古菌,生活在动物的消化道中。1983年,科学家们在太平洋中抽取洋底的水样时发现,从地球内部迸发出来的热气和岩浆还在沸腾,一群古细菌却正在那里洗热水澡,不禁大吃一惊。

他们是了不起的生命,挑战极限,蔑视教条,十分顽强。有些极端嗜热菌,只能生长在90℃以上的高温环境,80℃以下即失活。意大利海底的一族古细菌,降至84℃即停止生长。一些火山口附近的古菌,甚至可以生活在250℃左右的环境中。极端嗜盐菌耐受盐度可达25%(如死海和盐湖),极端嗜酸菌能生活在pH值1以下的地方。极端嗜碱菌多数寄居在碱湖、碱池中,PH值可达11.5以上。盐杆菌可以利用光能制造ATP(尽管不像其他利用光能的生物一样,利用电子链传导实现光合作用)……

据科学家推测,按照换算成碳元素来衡量,整个地球海底之下地层中的古细菌总量可达900亿吨,相当于陆地土壤中各种微生物总量的3倍以上。

死海中生活着许多耐盐古细菌:

图/嗜盐菌(来源 中国科普博览)

图/生存在海底热泉喷口的Geogemma barossii细菌 来源/Medical University of Graz, Austria

古细菌有扁平直角几何形的细胞,有独特的辅酶,许多古细菌有内含子,膜含二醚而不是酯(膜脂由甘油醚构成,是为了适应超高温环境),没有基因调节机制,喜高温酷寒,许多严格厌氧,都与真细菌有所不同。其鞭毛的成分和形成过程,也与真细菌路径不一,在复制、转录和翻译上更是接近真核生物,弄得进化派的生物学家们如坠五里雾中。

受达尔文误导,大多数科学家们相信,在漫长的进化过程中,每种生物细胞中的信息分子(核酸和蛋白质)的序列均不断发生着突变。许多信息分子序列的变化在时间上是随机的,进化速率相对恒定。这些基因或其产物乃是记录生物进化历程的分子记时器。

(物种间的亲缘关系,可以用它们共有的某个具有时钟特性的基因或其产物(如蛋白质)在序列上的差别,来加以定量描述。)

习惯从进化角度去看问题,使得几种最早生物之间的关系变得错综复杂、惝恍迷离。

把古细菌从原核生物中划出来,另立一个古细菌界,与原核生物、真核生物并列,实际上并不科学。

基於rRNA序列的所谓系统发生树,认为细菌、古菌和真核生物,各自代表了一支具有简单遗传机制的远祖生物的后代、三者同祖,更是无稽之谈。

伍斯等人以古菌命名之,反映了这一幻想(希腊语archae为“古代的”)。

说穿了,古菌其实就是高级生命制造出来,以适应在冥古宙、太古宙极端环境生活的一种生物。

那时的地球大气中,充满了有毒气体。为了生活于高温、高盐和缺氧之类的环境,古菌的生理机制、化学组成当然要很特殊。

古菌根本也谈不上什么进化,四十亿年基本上一仍旧贯(当然,生物都有弹性,古菌也不例外)。

正如网友所说:

32万8千亿代“进化”下来,细菌还是细菌,没有变异成别的物种。

说明了基因的超稳定性,已经在事实上否定了进化论。

古菌研究正在世界范围内升温,科学界认为古菌中蕴藏着远多于另两类生物的、未知的生物学过程和功能,有助于阐明生物进化规律的线索。然而,微生物基因组测序令科学家们极度迷惑、不知所之,他们主观假想出来的进化树,总是难以枝杈分明、线路清晰。

自诞生之日起,乌斯的三域学说便遭到部分人,特别是微生物学领域外学者的反对。反对者坚持认为:原核与真核的区分是生物界最根本的、具有进化意义的分类法则(呵呵!);与具有丰富多样性表型的真核生物相比,古菌与细菌的差异,远没有大到需要改变二分法则的程度。

譬如,詹氏甲烷球菌的蛋白质,就是44%像细菌,只有13%接近真核生物。在另一个古菌,嗜热碱甲烷杆菌的基因组中也有类似情况。从基因组比较的数字上看,古菌与细菌间的差异远小于古菌与真核生物间的差异。

概而言之,伍斯等人的论据,还不足以说服三域学说的反对者们。三域学说,在生物历史上恐怕将会是昙花一现。

5

最初的原始生命进行无氧呼吸,大多通过分解攫取的氨基酸、糖类及脂肪获取能量;有些依靠无机氧化物的还原获取能量(化能合成);有些通过光合作用摄取太阳能,如紫硫细菌、绿硫细菌、太阳杆菌等。它们以硫化氢、硫或氢气等等作为电子供体,不产氧,只拥有光合系统I(蓝藻则拥有光合系统I和光合系统II)。

细菌之类原核细胞,已具有相当复杂的结构和功能。

用电子显微镜观察,已报道的细菌超微结构有细胞壁、胞浆膜、鞭毛、纤毛、荚膜、核糖核蛋白颗粒、中膜小体、核区、芽胞等。进一步还观察到了一些真核细胞才有的细胞器,如微管、微丝、板层样结构等。膜中存在着大量不同的蛋白质,具有非常多的生理功能,集中执行着多数代谢功能,如构成了细胞的渗透屏障;主动运输,控制物质的流入和流出;附着细胞色素、铁硫蛋白、ATP合成酶和其他组分;进行细胞壁和荚膜、磷脂的生物合成以及分泌胞外酶;附着光合作用膜、固氮酶;提供鞭毛的着生位点,提供细菌运动能量;可能还附着细菌DNA的复制中心等等。

紧接着细菌和古细菌出现的蓝细菌(蓝藻),据说已经有36亿年的历史,也有距今35~33亿年的说法(根据非洲、加拿大、澳大利亚等处化石)。

蓝藻,又称蓝细菌、蓝绿菌或蓝绿藻。传统上归于藻类,后来发现它与细菌非常接近,已被归入细菌域。但国内的许多教科书上还没有改(所有的蓝藻都含有一种特殊的蓝色色素,蓝藻因此得名)。

图/蓝藻细胞结构

蓝藻是单细胞原核生物,细胞壁分内外两层,唯一的有形细胞器是核糖体。在蓝藻中还有一种环状DNA——质粒,在基因工程中担当了运载体的作用。蓝藻含有叶绿素和类胡萝卜素、藻蓝素;部分种类含藻红素,红海就是由于水中这种蓝藻甚多,使海水呈现出红色。它的身体不具鞭毛,藻体有单细胞体的、群体的和丝状体的。

蓝藻虽无叶绿体,但在电镜下可见细胞质中有很多光合片层,叫类囊体,各种光合色素均附于其上,光合作用过程在此进行。贮藏的光合产物主要为蓝藻淀粉和蓝藻颗粒体等。它的细胞膜上还有进行有氧呼吸的相关色素和酶。蓝藻拥有光合系统I和光合系统II(与绿色植物、藻类一样),光合作用机制较化能合成细菌要完善、复杂的多(但不是进化而来)。

这在生物装备上,是一个空前的大跃进。

蓝藻是最早的光合放氧生物(自养生物能够利用太阳光能,以无机物为原料合成有机物,并放出氧),被认为对地球表面从无氧大气变为有氧大气起了巨大作用(外国有科学家认为火山的作用更大)。

有不少蓝藻(如鱼腥藻),可以直接固氮(含有固氮酶),提高土壤肥力。

有的蓝藻为食品,如著名的发菜和普通念珠藻(地木耳)、螺旋藻等等。蓝藻等藻类,也是鲢鱼、鳙鱼的食物。

常见的蓝藻有蓝球藻(色球藻)、念珠藻、颤藻、发菜等。主要分布在有机质较多的淡水中;部分生于海水中,潮湿、干旱的土壤或岩石上、树干和树叶上,温泉中、冰雪上;甚至盐卤池、岩石缝中,都可以发现蓝细菌的踪迹;有些还可穿入钙质岩石或介壳、土壤深层;也有同真菌共生形成地衣,或生于植物体内形成内生植物的。

蓝藻已知约2000种,中国已有记录的约900种,分布十分广泛。淡水水域污染,富营养化会引起蓝藻大爆发,会产生有腥臭味的“水华”,进一步污染饮用水源,亦会令鱼类缺氧死亡。

蓝藻既能进行光合作用,又可以进行有氧呼吸(今天的大多数原核生物,既能进行有氧呼吸也能进行无氧呼吸,有氧呼吸的效率是无氧呼吸的18倍),非常值得注意。

光合作用和有氧呼吸的机制究竟有多么复杂,我们很快就会看到。

图/昆明池蓝藻爆发

图/太湖蓝藻

6

有氧呼吸与光合作用哪一个发生在先?

科学家们说法不一。

许多人认为,光合作用应该发生在原始生物中分化出蓝藻,蓝藻制造出足够的氧气之后。没有氧气,怎么光合?

大多数人则认为,光合作用的历史更加久远。最初的某些细菌,已经在通过光合作用摄取太阳能(有些含有卟啉类化合物),只是它们装备简陋,仅仅拥有光合系统I罢了。蓝藻出现之前,地球上也不是绝对无氧,强烈的紫外线对水的光解,富含氧气分子的岩石因火山活动释放氧气等等,都会制造出数量可观的自由氧。只是氧气这种东西过于活泼、水性杨花,她们很快就与其它物质发生了结合。

用于呼吸作用的细胞色素C排列在细胞的外表面上,而ATP合成酶则位于内膜上。所有生物细胞质膜的这种固定的方向性,也被认为必定是起源于外在的有氧环境。绝大多数原核生物都能进行有氧呼吸,似乎也加强了这种说法的说服力。

服膺创造论,解读就十分简单:

上天为了种种目的,把蓝菌投入地球而已。它一开始就拥有复杂的呼吸、光合系统,对自由氧的劫持能力较之别人也毫不逊色。

7

原核生物的有氧呼吸过程,十分复杂、极其巧妙、令人惊叹。

需要大量酶的参与,透过一连串的反应步骤,葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等被彻底氧化分解,成了更小的分子,能量被转移到还原性氢(化合价为+1的氢)中。最后,经过一连串的电子传递链,氢被氧化生成水;原本贮存在其中的能量,则转移到了ATP分子上,供生命消费。

有氧代谢与无氧代谢都有糖酵解这一起始,但有氧代谢继续进行了三羧酸循环以及氧化磷酸化步骤。这种反应发生在真核细胞的线粒体以及原核细胞的胞浆中。

以葡萄糖为例:

第一步:

第一步还是糖酵解的一系列反应。

图/糖酵解作用总览

如上面所列:葡萄糖在己糖激酶的催化下磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸,然后经异构酶催化转换为果糖-6-磷酸,再经果糖激酶催化再次磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸;在丙糖阶段,果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶催化下裂解生成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸,后者在甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化下生成1,3-二磷酸甘油酸,同时使NAD+还原为NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)然后1,3-二磷酸甘油酸在甘油酸激酶催化的底物水平磷酸化反应中生成ATP和3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸经变位酶催化转换为2-磷酸甘油酸,再经烯醇化酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸,最后在丙酮酸激酶催化的又一次底物水平磷酸化反应中生成丙酮酸和ATP。

然后是第二步丙酮酸脱羧,第三步三羧酸循环。第四步电子传递和氧化磷酸化。

丙酮酸脱羧发生在原核生物胞浆和质膜上,它架起了糖酵解与三羧酸循环这两个重要代谢途径之间的桥梁,由丙酮酸脱氢酶复合体所催化,是一个将丙酮酸通过脱羧反应而产生乙酰辅酶A并释放还原等效物,还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与二氧化碳的反应。

第二步:

图/丙酮酸脱氢酶复合体反应机理

丙酮酸脱羧:

A.丙酮酸与酶的硫胺素焦磷酸基团(TPP)相结合,丙酮酸上的羧基变成CO2被去掉,形成羟乙基硫胺素焦磷酸。
B.羟乙基转移到硫辛酰胺这种辅酶上,硫辛酰胺上的二硫键可当氧化剂,于是羟乙基被其氧化变成乙酰基,形成了一个硫酯键,而硫胺素焦磷酸变回原样。
C.在二氢硫辛酰基乙酰基转基酶的作用下,携带着乙酰基的硫辛酰胺将乙酰基转移到辅酶A上形成【乙酰辅酶A。】
D.二氢硫辛酸被二氢硫辛酰基去氢酶催化脱氢,以再次回到氧化,同时氧化型黄素腺嘌呤二核苷酸变为还原型。
E.最后,还原型黄素腺嘌呤二核苷酸被酶催化,将氢转移给氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,重新生成氧化型回到第四步中。

第三步:

图/三羧酸循环过程

三羧酸循环(柠檬酸循环)。

发生于原核生物的细胞质中。简示过程如下:

1、乙酰-CoA(乙酰辅酶A。是活化了的乙酸)与草酰乙酸缩合形成柠檬酸。催化酶为柠檬酸合成酶。
2、柠檬酸异构化形成异柠檬酸。顺序:柠檬酸顺乌头酸 异柠檬酸。催化酶为乌头酸酶。
3、异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下脱氢脱羧生成α-酮戊二酸。草酰琥珀酸是中间产物。
4、α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA。α-酮戊二酸脱氢酶系参与。
5、在琥珀酸硫激酶的作用下,琥珀酰-CoA的硫酯键水解,生成琥珀酸和辅酶A。在细菌中释放的自由能直接生成ATP。(不经过GTP),
6、琥珀酸脱氢形成延胡索酸。琥珀酸脱氢酶参与。辅酶是FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)。
7、延胡索酸与水化合而成L-苹果酸。参与,延胡索酸酶。
8、L-苹果酸脱氢形成新的草酰乙酸(供下轮循环使用)。参与,L-苹果酸脱氢酶。

这一步骤实际上非常复杂,此处略说而已。

三羧酸循环是最经济、最有效率的氧化系统,是糖、脂、蛋白质等有机物在生物体内末端氧化的共同途径。

经过上述步骤,产生的能量还只是很少一部分,还有大量能量随着分解过程,被转移到了几种辅酶所携带的质子也就是还原性氢上。这些携带还原性氢的辅酶,经过一系列被称做电子传递链的酶,将氢经过不同的细胞色素,最终传递给了氧原子生成水分子。

呼吸链在真核细胞,是线粒体内膜上一系列通道蛋白和酶的总称。原核细胞,以细胞质膜内褶完成类似的活动。 呼吸链的实质,是将高能电子经过一系列受体传递,电位逐渐降低,最后与质子和氧原子结合生成水。电子被传递的同时,导致了膜内外的电势差,引起质子的穿膜移动推动ATP合成酶合成ATP,这一过程,通过内膜上的通道蛋白和一个ADP磷酸化的过程耦联,当电子被传递,可以导致生成ATP,这一过程被称为氧化磷酸化。

氧化磷酸化是细胞呼吸的最终代谢途径,是产生“能量通货”ATP的主要步骤。细菌是靠横过质膜造成质子梯度来合成ATP的。

化学渗透假说将这一过程概括如下:

1.NADH的氧化,其电子沿呼吸链的传递,造成H 被3个H 泵,即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

2.H 泵出,在膜间隙产生一高的H 浓度,这不仅使膜外侧的pH较内侧低(形成pH梯度),而且使原有的外正内负的跨膜电位增高,由此形成的电化学质子梯度成为质子动力,是H 的化学梯度和膜电势的总和。

3.H 通过ATP合酶流回到线粒体基质,质子动力驱动ATP合酶合成ATP。

在真核生物的粒线体内膜上,有四个膜蛋白复合物和脂溶性电子载体,用于将还原电势转化为跨膜的质子梯度。

复合物I(质子泵)

即NADH脱氢酶,或称NADH-辅酶Q还原酶,以黄素单核苷酸和铁硫簇为辅酶,用NADH将辅酶Q还原为QH2,同时泵出质子。

复合物II

即琥珀酸-辅酶Q还原酶,是个跨膜蛋白复合物,是三羧酸循环的一部分,用琥珀酸以共价结合的FAD为辅酶将辅酶Q还原为QH2,不泵出质子。

复合物III(质子泵)

即辅酶Q-细胞色素c还原酶。细胞色素c是重要的电子载体,在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子。

复合物IV(质子泵)

即细胞色素c氧化酶。复合物IV是电子传递链的终点,氧气在此被还原生成水。

8

上面是蓝细菌的呼吸流程与细胞中的化学反应,它告诉我们:

生命从一开始出现就是极其复杂的(国内大学课本对此语焉不详,刻意回避)。

在惊人的复杂性之外,还有各种程序惊人的精确性。

地球一冷却,细胞生命就已经出现。就算进化的思路正确,复杂的细胞结构,在地质年代极短暂的时间内形成一说也令人难以置信。

脱氧核糖核酸构造的发现人之一弗朗西斯·克里克,非常了解细胞生命惊人的复杂结构,他深深知道,从地球开始形成,很难有足够的时间让无机物进化成生命,他干脆把目光投向了外星。

(热力学第二定律告诉我们,一切只能越来越乱。耗散结构论,并不能真正振衰起敝,起死回生。提倡生命自组织学说的真正内行,“都承认其理论只是建筑在抽象的数学原理及新颖的电脑模式上,而不是基于经验性的资料及实验结果”。)

翟中和院士告诉我们:“我确信哪怕一个最简单的细胞,也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧”( 翟中和院士等主编的《细胞生物学》,这句话已经上了中学课本)。

《生命来源的七项线索》一书作者凯恩斯说:“最简单的生物细胞,就具有无比的复杂构造,必须每一复杂的部分恰好配合,才能使细胞继续生存……我们印象最深刻的是生物有其内在的灵巧,看起来好像是全部被设计而来,好像是有目的……一个最明显的特色,乃是我们能想象的最简单的生物,与地球当初能形成的物质,两者之间有天壤之别”(譬如原核生物DNA聚合酶沿着模板前进,一旦核苷酸配错,就不再前进,而是回来把错的核苷酸换下)。

著名的詹腓力教授说:“最简单又能独立生存的生物是单细胞细菌,可说是一种最小型的、极其复杂的结构。最具尖端科技的太空船与活细胞相比,只显出太空船的粗糙。就算我们看比细菌简单不知多少万倍的东西(例如核酸),假定它可以开始达尔文式的进化,就算可能经过了数以亿年计算的光阴,借偶然机遇组成构造的概率,实在低得荒谬无比”。

华东理工大学的生物学家们断定:“原核生物细胞能量和物质代谢的途径,是一个很复杂的网络”。

物质有限的自组织能力,是不是可以把简单的有机物,组织成这样复杂的结构深可怀疑。陆地海中的氨基酸分子,在紫外线和雷电等等的帮助(?)下,是不是可以“偶然”地合成一个如此复杂的细胞深可怀疑。

“隔行如隔山”的隔膜,再加上刻意的误导,并不能永远掩饰真理。正如网友所说:

上个世纪九十年代中期,电子显微镜及生化技术的发展,让科学家们在镜头下看到了生命的基本单元“细胞”,是那么复杂而不可思议,用肉眼就能证明达尔文理论的失败。

面对现代生物化学,所揭示出来的极为复杂的细胞结构,进化科学界几乎完全瘫痪。

英国自然博物馆的资深古生物学家帕特森,在演讲中向在座的专家问了一个问题:

你们能告诉我进化论里面的那一条、任何一条……是你确实知道、完全无误的真理呢?我曾问过自然博物馆地质部的人员,我所得到唯一的答案,是完全的静默。

我又问芝加哥大学进化形态学讲座的听众,内中有一群很著名的进化论学者,等了很久还是一片沉寂。最后有一个人说,“我确知的只有一件——就是在高中课程内不应该教进化论。”

《审判达尔文》的作者詹腓力感叹:“要解释当初生命如何开始,最基本的难题是生物的结构太复杂了。仅从理论上说,除非生物已经存在,而且能够繁殖,不然达尔文式的选择毫无设计的功能”。

“退一万步来说,就算早期地球上具有生命构造所必需的化合物,我们还是面对死路一条,因为我们没有理由相信在原始汤羹中互碰互撞的化合物会有产生生命的趋向。虽然今天用高明的科技可以复制生命系统中的某些部分,但科学家用尽他们的智慧,尚且不能直接从氨基酸及糖类制造出细胞来,那么当年还没有科学家智慧的时候,怎能施出这样的招术呢?”

1996年,世界各地的科学家利用最佳的电脑程式,设法解答一长串氨基酸组成的单一个蛋白质分子,到底怎样摺叠成复杂精细的形状,结果是失败……科学家估计,普通大小的蛋白质分子由100个氨基酸组成,如果要凭着尝试每一种可能的构造,去解决摺叠的疑问,就要花1027(一千个亿亿亿)年才行(《纽约时报》)。

英国天文学家弗雷德·霍伊尔爵士认为,氨基酸无用的排列方式多不胜数,真正教人费解的是,氨基酸却是以某种方式排列的,使这一连串分子具有独特的属性。他说:“生命凭着自然界各种盲目的力量碰巧产生的可能性,实在微乎其微”。生命从原始汤羹中自然而然形成的机会,好比“一阵旋风吹到一片充满各种破铜烂铁的废物堆之后,突然组成了一架波音747飞机”。

与其接受这种极微的可能性,还不如接受上帝。

英国化学家伯纳尔教授在《生命起源》说:“我们用严谨的科学方法去验证这个理论(生命的自然发生),就很可能在过程中不止一次证明,生命根本是无法自行产生的……教人苦恼的是,地上的生物实在千姿百态,于是相信生命可以自然产生的人为了给生命的起源一个解释,只好曲解他们的论据。”

波兰著名遗传学家马切依·吉尔蒂克说:“细胞里的DNA、RNA和蛋白质复制系统,都是非常复杂的,这一切必定从起头就是完善无疵的。如果不是这样,生物系统就无法存在了。惟一合理的解释是,这些巨量的信息,出于某个有智慧的根源。”

美国生化专家迈克·贝希在1996年出版了《达尔文的黑盒子∶生化理论对进化论的挑战》,震撼了世界科学界。

贝希认为,达尔文提出进化论时,生物对他来说好比是黑盒子,他完全不明白生物在分子层面的精密组织,误以为细胞非常简单,很容易从无生命的物质演化而来。但今天这个黑盒子已被打开,科学家已瞭解到多种生命功能的化学机制,其中所牵涉的生化过程极度复杂。

贝希在书中详细介绍了细胞中复杂的生化系统,他说:如果你想在生物化学的文献中,找科学论文来解释生化系统,如何一步步渐渐进化而来,你会非常吃惊,因为“一篇也没有”。没有人能解释,生命到底是怎样产生的。

贝希教授的说法属于诛心之论,其实达尔文自己的正式说法是:

“生命是奇妙伟大的,这是造物主最初给了一个或几个动物的生命。”

“我承认原始的生命始于造物的主,如没有一个终极的原因,宇宙就不能存在”。

——(《物种起源》英文版结尾和英文版达尔文的自传)

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地球早期生命的形成(二)

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