《复杂生命的起源》精读笔记

一场不亚于又一次生物学革命的生命起源雄辩。 英国剑桥大学教授、生物化学家尼克·莱恩用27万字论述了生命起源与演化的过程。 生命为何会演化为今天的样子？在40亿年的漫长岁月中，从简单的细菌到复杂生命，这样的演化飞跃为何在历史上只发生了一次？作者从生物能量学的角度，交给了我们一把有望解开起源之谜的钥匙。 含全书精读笔记 精彩原文摘录。

《复杂生命的起源》【英】尼克·莱恩

• 一：生命的化学基础（什么是生命）
  • 1.细菌和古菌在地球上生存了20亿年之后，真核细胞才诞生。
  • 2.真核生物的单源性：所有的真核生物都有一个共同的祖先，即真核细胞的形成在过去只发生过一次。
    • 原文：“任何恰当的理论都必须解释为什么复杂生命的演化只发生了一次。”
  • 3.真核细胞一开始出现就迅速演化出各种生物并逐渐占领地球，而细菌与古菌从诞生之初到今日，其生命结构发展一直处于停滞阶段。为什么原核生物没有像真核生物那样演化出各类形态。
    • “先考虑一个基本假设：一定存在某种结构限制，同时作用于原核生物的两大类（即细菌和古菌），迫使它们在漫长的40亿年之间保持简单的形态。只有真核生物迈入了复杂生命领域，而这是通过爆发性的单源辐射演化达成的。”
• 二：从简单到复杂的分子（什么是活着）
  • 1.生命的组织有序是以环境更加无序为代价的。熵增定律。 ①人类为了存在，必须通过自身细胞的呼吸作用产生热能向环境中释放；地球和太阳为了存在，也在向宇宙释放着天文数字的能量。 ②宇宙大爆炸-太阳核聚变倾泻能量-阳光驱动地球上的氧化还原反应-生命运作产生能量-地球向宇宙释放能量。
    • “如果要驱动生长繁殖，就必须有某种反应持续向环境释放热量，让外界更加无序。”
  • 2.ATP是生命通用货币。 生命氧化还原过程中（ATP的合成与分解），在细胞膜两侧产生了巨大的电位差，也叫质子动力。
    • “基本上所有的细菌、古菌和所有的真核生物（统称生命三大域）都有ATP合成酶，少数几种例外是利用发酵作用的微生物，这样的普遍程度，只有遗传密码可以相提并论。”
  • 3.生命是电子的作用。 所有的生命都利用氧化还原反应，生命被叫做碳基生命的原因就在于，生命是基于被还原的碳元素。
    • “请好好体会这一点：不论细菌与你的差异有多大，它们都和你依靠同样的一套基本生存设施。”
  • 4.生命是质子的作用。 所有的生命都使用化学渗透偶联，意味着这在演化史极早阶段就已出现。在生命界质子梯度取代了其他一切机制。
  • 这一部分的主题在于寻找细菌、古菌和真核细胞间的共同特征，而拥有共有特征意味着这一特征是在漫长的演化史中从最初保留下来的机制，有利于研究生命的起源，以及复杂生命（真核）的演化路径。 而化学渗透偶联（膜两侧的质子运动）相比于遗传机制、细胞壁成分、发酵反应过程甚至细胞膜成分……等等因素都更加普遍，因此更值得研究讨论。
• 三：生命的起源
  • 1.细胞诞生的条件。 ①持续的活化碳供应合成有机物； ②自由能供应启动生化反应； ③催化剂加速反应； ④排泄废弃物释放能量，热力学第二定律； ⑤区隔化将内外部分开； ⑥遗传物质承载信息代代相传；
    • “首先，一定要有大量的活化碳化合物，以及可以利用的化学能持续流入。它们流过原始的催化剂时，其中一小部分会转化成新的有机分子。当新的有机分子合成速度超过它们的消耗速度时（需要催化剂），浓度才能增加，也才可能自我组装成细胞状的囊泡、RNA和蛋白质等结构。”
  • 2.细胞诞生的环境。 碱性热液喷口：天然的流式反应炉。碱性喷口的物理结构会导致半导性薄壁两侧出现质子梯度，理论上会驱动氢气与二氧化碳的有机合成反应，还会浓缩产物。而所有的生命都使用跨膜质子梯度来驱动碳代谢和能量代谢。
    • “20世纪70年代晚期，对深海热液喷口的发现震惊学界，没人预料到这些“黑烟囱”如此强力、活跃，紧紧依附在它们周围的生态系统又是如此丰富。深海的海床通常像沙漠一样，罕见生命的踪影。然而，这些摇摇欲坠的烟囱拼命喷出黑色的“浓烟”​，滋养着各种前所未见的古怪生物：无嘴、无肛门的巨型管虫，大如餐盘的贝类，以及没有眼睛的盲虾。此处的生命密集程度，堪比热带雨林。”
• 四：细胞的诞生
  • 3.细胞的诞生。 第一阶段，含有催化性的硫化铁矿物质的薄壁两侧形成质子梯度，驱动有机小分子合成； 第二阶段，在微孔结构中形成简单、有机的原始细胞； 第三阶段，即基因密码的起源；这才是真正的遗传，终于让原始细胞能够制造出与自身差不多的复制品。
    • 关于DNA的起源，可以参考同作者的上一本书《生命的跃升》
  • 4.细胞的演化与出走。 细胞必须持续演化（产生且能够保存更多的能量）才可以走出单一苛刻的初始环境——碱性热液喷口。
    • 演化史上首次出现了一股持续的选择压力，可以同时驱动质子泵和现代脂质细胞膜的演化。最后，细胞终于可以切断连接天然质子梯度的纽带。现在，它们可以自由离开热液喷口，去外面广阔而又空旷的世界挣扎求存。
• 五：复杂细胞（真核细胞）的起源
  • 1.原核细胞和真核细胞的演化差异。 ①20亿至15亿年前，一个细菌进入一个古菌宿主体内，二者发生了内共生作用。 ②但是迄今经过40亿年的演化，细菌与古菌却几乎没有任何变化。只有真核生物突破了结构的限制，所以也只有真核生物发展出无限复杂的形态。
  • 2.复杂性的嵌合起源。真核生物起源于古菌宿主和细菌内共生体。 真核与原核的基因并非完全独立，真核生物大约有3/4的同源基因来自细菌，剩下的1/4则来自古菌。 推论：一个古菌与一个细菌之间发生了一次内共生事件（演化史中极其罕见），二者的基因组与任何现代的细菌和古菌类群都不一样。由此产生的后代与其他原核生物之间发生了水平基因转移，从而造就了现代这些有多种来源基因的类群。
    • 根据已有研究的大致推测，至少有25种不同的现代细菌类群都为真核生物提供过基因。古菌型基因的来源情况也类似，只不过牵涉的类群比细菌的少一些。
  • 3.限制原核生物变得复杂的根本因素。 能量差异导致了原核生物没有能力发展成为像真核生物一样复杂、形体巨大的样貌。
    • 真核生物平均每个基因的能量，高达原核生物的200,000倍。即使把细菌放大，并不会让它们像真核生物一样扩张基因组或者提升能量供应；相反，它们每个基因的平均能量会大幅下降，与真核生物的差距变得极大。所以，细菌无法扩充它们的基因组，也不能积聚几千个新的基因家族、编码几千种新功能，这些都是真核生物的特征。现实中的巨型细菌并不是演化出一个单独的大型核基因组，而是复制成千上万份细菌标准的小基因组。
  • 4.论证嵌合起源是复杂生物诞生的必备条件。只有内共生作用才可以打破原核细胞的能量约束。 ①在细菌间的竞争中，由于细菌生长速度非常快，菌群必须在生长速度上取得微小优势（最简单的办法是丢弃暂时不用的基因组）才能够占据更多的生存资料。因此细菌逐渐将基因组演化成众多单位基因（短小），且能够动态转移，以便随取随用。 ②同理数据显示，所有细胞中内共生体的共同发展趋势，都是在丢弃自己的基因，趋于简化。如今真核细胞中的线粒体就曾经是古菌中的内共生体。 ③曾经的线粒体丢掉基因组的好处是加快内共生体的复制速度、节省ATP、增加能量效率。而线粒体演化到今日，其功能恰恰是制造ATP，因此无数个真核细胞的线粒体增能减负的组合下，真核生物的单位能量就远远能够大于原核生物了。 ④单位能量的增多+丢失的基因组进入到细胞核，也就有能力发展处各种各样功能的细胞了。
    • 内共生体与生命三域的实体关系：小段的基因组-内共生体-生活在细胞质中
  • 5.线粒体是真核生物复杂性的关键。 通往复杂生命之路，在演化历史上并不是注定出现或者普遍存在的。宇宙并没有承诺我们的存在。复杂生命有可能出现在其他星球上，但不太可能是普遍现象；基于同样的原因，它在地球上也没有重复发生过。
• 六：性，以及死亡的起源（真核细胞）
  • 1.有性生殖。 ①所有已知的真核生物都进行有性生殖，且有性生殖出现在真核生物非常早期的演化阶段。 ②只有假定有性生殖是在一个小且不稳定的始祖种群中演化而来，才能解释为什么所有的真核生物都有很多共同特点。
  • 2.内含子的起源。 ①基因寄生阶段。内含子的前身是在真核细胞形成之前，内共生体向宿主细胞释放出了大量的基因寄生物，这些寄生基因很快侵占了宿主基因组，随之而来的是RNA剪刀负责修剪寄生基因，以免它们被转译为毫无用处的蛋白质。 ②后来形成的真核细胞都有着破碎的基因序列，随意入侵的大量寄生基因使得整个基因序列变得混乱不堪，这些寄生基因衰退死亡后变成了如今的内含子。为了使原基因转录活动不出错，真核细胞应变出剪接体（由RNA剪刀演化出），将不需要的序列剪切掉。
    • 真核生物的基因是一个烂摊子。它们由好几个较短的序列组成，每一段编码蛋白质的一部分；这些编码区域之间插入了长长的非编码DNA序列，我们称之为内含子（introns）​。
  • 3.细胞核的起源。 ①剪接体虽然能够处理无用的内含子，但是速度远远赶不上在RNA上疯狂转录蛋白质的核糖体。 ②此时，细胞核的重大意义就显现出了：核膜将转录RNA和转译蛋白质的工作隔开，将干劲冲天的核糖体挡在膜外。
    • 最重要的是，缓慢的剪接过程在细胞核内进行，在核糖体有机会接触到RNA之前已经处理完毕。
  • 4.有性生殖的起源。 ①有性生殖（两条染色体必须进行对等基因的交换）逐个检视每个基因的优劣并加以裁决——这是有性生殖最大的优点。 ②为了应对基因中的致命突变，基因组最好定期进行全基因组的重组，只有有性生殖才可以做到。 ③选择压力导致有性生殖的产生。当基因寄生物（内含子）出现造成有害影响时，仅有少部分的片段交换转移并不能解决问题，除非进行全基因组范围内的重组才能有效增加基因多态性，抵御不良入侵和环境变化。
    • 有性生殖才能通过多态性的大撒网，来重新分布基因寄生物的危害：（减数分裂期）有些细胞获得的基因都是干净的，而有些细胞累积了超过平均剂量的突变。
  • 5.人体有性生殖的演化。 ①线粒体的单亲遗传：人体内的线粒体是通过母亲代代相传的。 ②由于线粒体会积累常年累月的突变，跟随配子形成合子时，同样会增加子代初始细胞的多态性，当合子分裂形成胚胎时，细胞的多态性会起到负面作用：例如某些组织健康、某些组织有问题。大大降低了个体的健康概率。因此解决办法是：延迟生殖细胞的分裂年限（雪藏生殖细胞，具体表现为青春期生殖细胞才开始成熟）、异配生殖（增大卵子细胞并增加其中的线粒体，同时尽可能减小精子）以及在形成合子时进行线粒体的单亲遗传（减少线粒体突变来源降低多态性）。
  • 6.细胞程序性死亡（细胞凋亡）过程。 ①首先是电子流减缓，ATP合成速度随之降低； ②然后是高还原态的铁硫簇与氧气直接反应，产生大量自由基，导致细胞色素c脱离内膜； ③最后，线粒体膜电位就会崩解。
  • 这部分讨论真核细胞共同拥有的特征及其起源发展。
• 七：预言-力量与荣耀
  • 1.种群的衰退总是和线粒体与细胞核的适配性相关的。
    • 线粒体基因组和核基因组互相适应，一个基因组的序列变化会造成另一个基因组的补偿性序列变化。
  • 2.基因持续从线粒体向细胞核迁移，如果新的配置运行较好，基因就会留在新家；如果不好，惩罚就会降临，多半以死亡的形式。最终，几乎所有的线粒体基因不是彻底丢失，就是搬到了细胞核内，只剩下一小队不可或缺的基因留在老家。
    • 细胞凋亡的程序一旦启动，就可能会危及整个发育系统，造成流产、早夭、生殖力降低。子代的品质 vs. 亲代的生殖力，二者之间的利弊权衡是自然选择最核心的意义。
  • 3.有氧代谢能力、生育力、死亡门槛、寿命。 不同物种之间对比，这些表现与线粒体-核的差异性有关，线粒体-核的差异性大，对不同环境的适应能力就强，有氧代谢能力低，自由基泄露多，生育力提高，寿命少。反之可推。
    • 有氧需求很高的生物，需要线粒体基因组与核基因组完美匹配。
    • 我们的祖先增加了有氧代谢能力、降低了自由基泄漏、降低了生育力，但同时延长了寿命。
  • 4.人类的衰老。 ①运动时人体内自由基泄漏得较少；不运动时自由基的泄漏速率更高，会导致更快的衰老。 ②自由基信号的功能是增加ATP合成的信号，据此可以预测，用来阻断自由基的抗氧化剂不会带来什么好处：既无法延年益寿，也无法预防老年病——因为就算它真能到达线粒体，也只会降低细胞的能量供给。
    • 原因在于呼吸链中的电子流速度加快，整条路径更加“畅通”​，呼吸蛋白复合体的还原态降低，就更不容易与氧气直接发生反应泄露自由基。
    • 那么我们能做什么来防止衰老呢？我说过珀尔错了，懒人并不会长寿，运动才有好处。所以，只有一定程度的卡路里限制和低碳水化合物饮食，才能有效延缓衰老。它们都会促进生理压力反应（就像促氧化剂的作用）​，能够清除一些有缺陷的细胞和线粒体，短期内有利于生存，不过，代价通常是降低生育力。
• 40亿年间只发生了一次的内共生事件，让简单的细菌一跃变成复杂的真核细胞，生命究竟为何这样演化？