科普向未来内容 (科普生命的诞生)

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做这个视频主要为了致敬大神薛定谔,作为量子物理学家顺带奠定了现代分子生物学基础,而后继的各位大神们通过不断的完善理论,为我们串起并印证各学科对生命和世界的解释,塑造了这个世界的现代性。

那生命是怎么来的~生命的物质和能量如何相互转换?又是如何运作滴涅~这就得说回地球的形成,我们都知道根据大爆炸理论,地球是气体和尘埃组成的云团坍缩而成,然后有了水(不管是自生水还是冰彗星撞击地球带来的水),形成原始大气,米勒实验证实了原始大气通过闪电可以自身形成有机物(而后又有多种实验证明原始大气通过紫外线、γ射线可形成核糖、脱氧核糖、鸟嘌呤等有机分子),这就解决了生命的物质基础。接下来就是能量转换的解决方式了:科学家发现在海底有一些碱性泉口,我们知道原始海洋由于火山喷发,海水中含有二氧化硫、二氧化碳,叫做火山酸性水,当碱性泉口喷出到酸性海水中,就会形成H+的浓度差,积蓄大量的H+势能,(这种浓度差或者叫质子梯度)转化成了化学能ATP,我们所熟知的三磷酸腺苷开始为原始生命提供能量,那原始生命在哪呢,我们刚才说碱性泉口,泉口的表面有海绵状的无数小孔洞,大量的孔洞中偶然的集聚了氨基酸、核糖核酸、嘌呤等有机物,又有ATP为其提供能量,原始生命就此诞生。小空洞这种天然隔离功能而后被细胞膜代替,RNA的形成为蛋白的合成和自我复制提供了保证,再以后又演化出了DNA这种更稳定精确的负责遗传的结构,至此L.U.C.A( Last Universal Common Ancestor)这个生命完全体作为我们生命之祖开始登上舞台。其实这个过程也是个假说,但却符合生命的公式:

那什么是生命的公式?生命是一个过程,是物理和化学定律中,物质与能量的相互作用的过程。能量守恒定律告诉我们能量可以互相转化;熵增定律告诉我们能量必会在熵增中寂灭。而生命就是以攫取各种能量转化为化学能,并用于维持自身有序的过程。因此薛定谔说有机体以负熵为生。

我们的祖先LUCA以海水为溶液,以有机分子为原料,利用质子梯度储存能量。这一切有什么意义么?我们来聊聊金刚经的性空吧,LUCA是性空的,它可没有神经系统来传递,更没有大脑来感知存在。它就这么应运而生了,它生可不是为了让你必然出现,世界不会因我而特殊,非要说有什么意义的话,那就是告知世人放低姿态、不要傲慢。

而后便是生物演化史了,从单性繁殖到有性生殖、从厌氧到有氧、从寒武纪大爆发到显生宙五次物种大灭绝,再到哺乳类的繁盛,直至人类的出现。一直被自然选择着,不只是我们无能为力,而是谁也没法有能为力。

我们聊生命,其实与氧密不可分,这就主要针对复杂一点的生命体讨论了,因为我们知道生命的创生首先是厌氧的,而后才是有氧生物,这也是寒武纪物种大爆发猜测原因之一。我们都明白人类依氧气为生,脱离了氧气我们这个个体短时间内就得衰亡,这也是上面我们说生命起源时,最初利用能量的方式是ATP而不是更有效率的有氧呼吸,因为当时地球还没有氧气呢(直到26亿年前,藻类才演化出了光合作用的能力),这就不展开说了。回来说氧的最终形态就是氧化物,主要途径当然就是释放能量的氧化过程。我们有氧呼吸为了什么,为了释放能量供给机体的生命需求,而且不只是能量转换层面需要氧,在物质层面,组成人体的元素中,氧元素占62%。

上期我们提到薛定谔的名言:生命以负熵为生。可生命过程真的可以对立熵增定律一直保持有序状态生存么?我们都知道这不可能,生命虽然攫取能量来维系其存在度,但也没法违背物理规律,终将衰亡,这又是怎么样一个过程呢?这就是氧化。

先说结论:单个细胞想要持续维持有序稳定的生存活动是做不到的,所以生命只是个过程。从分子层面来讲,受到复杂因素的影响就非常多。很难保证不出一点差错,就像在热泉口形成最初生命时也同样复杂,自身尚且不能保证有序,更何况受到紫外线、辐射、高温等等外部影响,都会引起分子结构或状态的改变:分子层面常见的就是共价键的断裂,生成叫自由基的分子结构,而断裂的是氧元素的电子的话,我们叫它氧自由基。我们都知道,失了配对电子的氧,有着非常高的化学活性,这就会见谁抢谁的电子,去氧化他们,好形成自身的稳定结构(氧化物)。我们刚才说氧元素占人体62%的比重,所以自由基据测定95%都是氧自由基。我们做个思想实验,生理状况下细胞内存在的抗氧化物质可以及时清除氧自由基(也就是给他们提供电子使其稳定),使氧自由基的生成和降解处于动态平衡,这就是有序状态;一旦活性氧生成过多或机体抗氧化能力不足,没法及时清除氧自由基,则可能引发氧化应激连锁反应导致细胞死亡。也就是说抗氧化能力强于自由基的生成,细胞才会暂时维持有序的生命过程,但是形成自由基的情况实在是太多了,紫外线啊、辐射啊各种环境因素,甚至精神的紧张和压力也会通过内分泌促使自身形成更多的自由基,正因如此,我们才说生命的消亡也是必然的,生命仍然是遵循热力学第二定律,走向寂灭的。

最终结果虽然绝望,但过程中我们总能人为地减缓这个衰亡的过程,阻止自由基氧化对细胞的危害,通过摄入有效的抗氧化剂来维持生命的有序性:比如VC、VE等,但VC、VE针对的自由基种类又有限;另一种我们熟知的花青素针对种类就比较多,更具广泛性,但也有问题,其中大部分生物类黄酮,自身体量太大,无法通过细胞膜,从而很难对细胞内部自由基的侵害发挥作用,干看着没辙,有效性大打折扣;最终人们发现了一种低聚原花青素(4000多种生物类黄酮的总称),其大小都是分子级别,可以透过细胞膜,在细胞内部清除氧自由基。目前为止发现最为优秀的天然复合抗氧化剂是以法国西南沿海朗德松松树皮提取物为原料的碧萝芷,其中除了低聚前花青素成分之外还有多种果酸,如咖啡酸、阿魏酸、没食子酸等,这种天然复合、又超强抗氧化,实属难得。

从生命的诞生到衰亡,我们所说的其实只是个假说,所有的关键问题我们都还没有答案,我们并不恐惧我们知道自己不知道的,却应时刻敬畏未知的无知,最后再说一遍,人类的渺小同病毒并无差别,我们的意识也许只是为了协作而进化出来的代偿功能,生命是否必然我们也无从解释,但从智人说出“听说河边有个小姐姐洗澡”的那一刻,好奇心确实点亮了整个生命使之光芒万丈。到此致敬各位大神!

(还有一句心里话:真实世界很复杂,刚好复杂到没有态度的程度。你品,你细品。)

参考文献:

薛定谔.什么是生命[M]. 北京: 北京大学出版社, 2018.

王东岳. 物演通论[M]. 北京: 中信出版社, 2015.

王立铭.什么是生命[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2018.

赵保路.氧自由基和天然抗氧化剂[M]. 北京: 科学出版社, 1999.

古尔德.生命的壮阔[M]. 江苏科学技术出版社, 1999.

道金斯.自私的基因[M]. 北京: 中信出版社, 2012.