開卷筆記 — 生命之源

(積了好幾本書的筆記,現在慢慢還債…)

這是一本非常有野心的書,至少在坊間是這麼認為,意圖為生命從何而來提供一個解答,我們對於生命的各種組成部份,都有很長足的了解,但這些部份是怎麼走在一起,卻是一個謎。DNA的發現,配上演化理論,已經足夠解釋大部份的地球上的生物進程,但卻未能破解到起源問題。事實是,證據顯示生物都應該來自一個共祖,就是真核生物,擁有一樣的細胞結構:細胞膜、細胞核、線粒體等等,而一般都估計是由古菌和細菌這些沒有核的菌而來。而跟據演化理論,我們理應能夠找到一些中間形態,但事實上就是沒有,而且古菌和細菌在地球上活了很長的時間,都一直沒有演化成真核細胞,成為生物史上的一大缺環。作者的研究認為我們一直都太著重DNA的角色,只以資訊的角度去看,而忽略了能量在當中的角色。

能量的擾動

作者的理論是,假設在遠古有一個偶然機會下,一顆古菌走進了細菌內,彼此形成內共生關係,在特定環境下,生出線粒體這個能量工廠,使細胞能使用和代謝的能量升了好幾個量級,而有了更豐盛的發展。這涉及到我們如何理解粒線體在能量方面的運作過程,當中細胞膜就成為重要的結構,可以令到膜兩邊有不同的質子梯度,而線粒體的特有合成酶,就能以此快速合成ATP,也就是細胞所使用的能量貨幣。

但這也其實並不簡單,先不論古菌走進細菌這回事,細胞膜如何形成呢?在此作者提出的是深海鹼性熱液噴發孔,當中的孔就可以充當細胞膜的結構,而且也有充足的原材料,是很適合細菌古菌在此發生作用。這裏形成的是一個耗散結構,讓能量在此發生作用,讓所有的東西動起來。耗散結構的例子有颱風,它本身會與周圍環境交換能量,來維持自身的能量平衡。生物體也是耗散結構,正如這些噴孔也提供了細菌古菌機會,形成旳質子梯度去發展出新的發電機(線粒體),來達至一個更高的平衡點。

這讓我想起在這裏剛剛翻譯的小說《呼》,生命就是能量的流動,一場大呼氣。整體來說我們看似敵不過熱力學第二定律,我們其實是以增加宇宙熵來維持自己生命的平衡狀態,但能量在各個層面的流動所形成的萬物萬事,都叫人嘆為觀止。

一直以來都流行的「太古濃湯」假說,要讓原材料在不停碰撞加電擊情況下產生有機物,已經機會很微,更遑論要發展成得出細胞的基本結構。基本上太古濃湯一碰上熱力學就沒辦法了。作者認為我們一直研究太多有關DNA,專注於生命的資訊面向,而忽略了能量的角色。沒有能量的擾動,資訊不會活起來。

性與死亡

而至於古菌走進細菌,雖然只能是一個偶然,但機會也不算少。在細胞膜內,兩者的內共生關係就更微妙。這模型解釋了細胞的基因特質,而我們為何都有一大段垃圾基因(但垃圾不等於無用),似乎就是由這個內共生者而來,其帶來大量的內含子入侵,而細胞則演化出核膜,來分別處理RNA的轉錄與編碼。內共生關係下,線粒體剩下能僅僅產生能量的基因。

呼吸作用則需要兩者帶來的基因,而且成為很微妙的關鍵點。作者指出研究用電腦模擬下,得出兩性在演化壓力下表現最好,也就是線粒體的基因來自母親的時候,兩者所組成的細胞,決定了呼吸作用和能量產生的效率。線粒體的基因在卵子裏是封鎖起來的,而父親本身的線粒體大多用於尾巴游泳的能量之上,在與卵子融合時會被去掉。此外,兩性這個組合作用能夠使天擇將每個突變基因逐一檢視,而汰弱留強,比起單純複製而可能讓弱基因隱藏起來,製作更強健的下一代。

呼吸作用與自由基與老化的課題上有關,因為兩套基因體(線粒體的與細胞核的),會引伸出不同的「體質」。書中例子是鴿子與老鼠,鴿子需要高氧能力的細胞去進行飛行,這些細胞老化得慢,也不易有老化病,原因是這些細胞自由基外漏得少,而線粒體本身是有機制去偵測自由基的外漏情況,一旦過了某個程度就會啟動細胞凋零的機制,也就是自殺。自由基是由呼吸鏈外漏的,也就是一連串redox反應時所產生的,對自由基有多敏感,就與線粒體基因體有關了。鴿子長壽、不易老病,但代價就是對環境改變適應力低、生育力低、體形受限制。相反老鼠就比較能耐得自由基外漏,所以有高生育力、子代體型較大、也能適應環境改變,但就容易老化。相比老鼠能活三四年,鴿子則能活近三十年之久。

作者也特別提到自由基老化假說,這引伸到一大串以抗氧化作招牌的健康養生產品,以多服用抗氧化品來對抗老化作招徠,問題在於這些抗氧化品其實都不大會被吸收到。自由基的確與老化有關,就是上述的線粒體偵測自由基訊號和啟動細胞凋零機制,自由基訊號也會刺激線粒體增加數量,來提供更多能量。而抗氧化品若真的發生作用,其實是會干擾了自由基訊號,使細胞得不能獲得應有的能量,可能會死得更快。可幸是抗氧化品多數都被排走,不幸是這些抗氧化商品可以繼續似是而非地在沒有明顯副作用下賣下去。

反而有稍稍一提的是,研究上證實可以增長壽命的,是卡路里限量。其實這就是自制資源競爭環境,去淘汰表現不好的細胞。而近年一些新興的禁食法,也符合此原理。

生命同源

由此古菌細菌內共生再加鹼性熱液噴發孔,將能量經由耗散結構達到新的平衡,到生出我們的真核共祖,在作者筆下寫出一個壯闊的生物故事,對於我等門外漢絕對是足夠說服力,目定口呆。而更神奇的是這樣的結構下,細胞得到更多能量後得到更多樣的發展,也竟原來關係到我們的兩性繁殖機制和生老病死。作者揚言,生命在其他星球上,也應該是類似的,也就是有海床、熱力、碳酸鈣等等條件下,必然也會發展出類似結構,而生出類似的生物細胞機制,也是外星人也必然是兩性的,而且也有如鴿子和老鼠般的死亡與生育的取捨。

當然這還有需要查考的地方,例如古菌走進細菌這件事,是有確切發生嗎?作者提到近來有在深海發現介於真核生物與細菌間的東西,有內共生者的,可能是「正走在平行的演化道上」,與這理論相符合。此外也有更多實驗可以去做,去驗證當中的運作機制。

另一點令我配服的是作者的寫作,是由淺入深的,雖然都會觸及很細節的東西,例如電子如何跳等這些技術性東西,但他都能好好解釋,這使我有興趣找回他上幾本作品來看。


Originally published at 網絡暴民 Jacky’s Blog.