王大虎

王大虎:有机物质与生命演化的蓝图

王大虎

病毒基因同其他生物的基因一样,也可以发生突变和重组,因此也是可以演化的。因为病毒没有独立的代谢机构,不能独立的繁殖,因此被认为是一种不完整的生命形态。近年来发现了比病毒还要简单的蛋白质朊病毒及RNA类病毒。

病毒具有两重性,病毒的生命活动很特殊,对细胞有绝对的依存性,存在于细胞外环境时,则不显活性,但保持感染活性。病毒可提纯为结晶体,结晶体是一个化学概念,是很多无机化合物存在的一种形式。我们可以认为某些病毒同时具备化学结晶与生命活动的两种形式。遇到宿主细胞显示出典型的生命体特征,细胞体外它们属于结晶体。所以病毒是介于生物与非生物之间的一种原始的生命体。

长期以来,人们对于病毒的起源,曾有过种种推测:一种观点认为病毒可能类似于最原始的生命;另一种认为病毒可能是从细菌退化而来,由于寄生性的高度发展而逐步丧失了独立生活的能力;还有一种则认为病毒可能是宿主细胞的产物。这些推测各有一定的依据,目前尚无定论,因此病毒在生物进化中的地位是未定的。但是,不论其原始起源如何,病毒一旦产生以后,同其他生物一样,能通过变异和自然选择而演化。

病毒虽无完整的酶系统,但常含有一些特殊的酶,有的病毒粒中含RNA多聚酶,反录病毒科含反转录酶,均与核酸复制有关。一些溶源性噬菌体感染细菌后,并不使细胞死亡,而是将其自身的基因组整合进宿主细胞的基因。一些病毒将DNA或其片段整合到宿主细胞DNA上,并随细胞分裂而传给子代细胞。感染宿主DNA后,它们只表达其部分基因(一般为早期基因),但不产生自己子代病毒粒,细胞也不死亡,而被转化成类似于X的细胞。

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原来科学家认为病毒需要活的宿主,病毒只能在动物、植物、细菌等的体内生长。但是后来科学家发现病毒能够分别在淋巴液中、豚鼠角膜组织中,能够像在细胞中那样显示活性。科学家发现切碎的母鸡肾脏的悬液对牛痘苗病毒也能够进行培养,脊髓灰质炎病毒X就是用这种方法进行大规模生产的。痘类病毒的独立自主能力最强,甚至能在去细胞核的细胞中进行DNA复制,其基因组至少能为75种蛋白质编码,包括DNA多聚酶、胸苷激酶、脱氧核糖核酸酶和聚核苷酸连接酶。

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2010年10月,英属哥伦比亚大学(UBC)发现了最复杂的海洋病毒——Cafeteria roenbergensis病毒,此病毒仅次于淡水病毒——多噬棘阿米巴模仿病毒,后者拥有120万个碱基对。该病毒主要感染海洋中的浮游生物掠食者,并携带了令人难以置信的约73万个脱氧核糖核酸(DNA)碱基对,其中包括超过500个类似于基因的区域。这种病毒的基因组比一些细胞生物的基因组还大,它的遗传复杂性使科学家感到疑惑,不知道该把它归为“无生命”生物,还是“有生命”生物行列。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上,这项研究者英属哥伦比亚大学教授柯蒂斯·苏特勒说:“我们一般认为病毒都很小,是简单生物体,只有少量基因。然而我们在这种病毒里发现的大量遗传机制,只能在有生命的细胞生物体里找到,它们需要很多基因才能产生DNA、RNA、蛋白质和糖。”

一般情况下,病毒在活宿主细胞外无法自我复制,它们需要利用宿主提供的蛋白质进行复制,有无自我复制形式是区分“有生命”和“无生命”生物的分界线。然而最新发现的这种巨型病毒却对上述归类标准发起了挑战,它们虽然仍需要一个细胞进行复制,但它们是在自己的基因组里进行编码的。研究人员指出,这种病毒拥有大量基因,这些基因通常被活细胞用于修复它们的DNA损伤以及合成蛋白质和糖。它还拥有编码病毒复制需要但是必须从宿主生物那里获取一些蛋白质的基因。

科学家一般不会把病毒划归为活的生物体,这是因为病毒无法独立复制,但是像这样的巨大病毒有自己的蛋白质合成机制以及通常在活体细胞中才能够完成的功能。这种行为将什么是活的有机体和什么是非生命之间的界限弄模糊了。而且病毒能够在没有细胞核的细胞及细胞外面进行培养。这些都说明了原始生命进化中,像大病毒这种前生命物质,可以完成从有机物集合向细胞生命的自然进化。

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如果研究从物质到生命的进化,我们必须了解有机物质的量子性质,才能够构成一个生命诞生的逻辑图景。第三章里讲到了有机物质的量子特性,及用科学事实证明了量子本身的系统性、记忆性、自我组装性。这些性质在有机分子领域同样适用。类病毒是RNA有机分子,朊病毒是蛋白质有机分子,两者都具有复制性,遗传性。蛋白质被人体消化后,大部分分解为氨基酸小分子,但是由两三个氨基酸小分子组成的二肽与三肽的依然可以进入人体并具有生理功能。而在第五章、第七章里,会讲到小RNA分子,也具有干扰性、遗传性及信息作用。下面两个例子则说明了有机物质的一些特性:

以色列甘—摩尔博士领导的研究团队,用油菜籽油、大豆油、棉籽油,橄榄油,最终配制成一种水乳化剂,用来治理蔬菜以及燕麦、大麦与小麦谷粒作物的蚜虫、螨虫与X病等霉病方面。甘-摩尔博认为,没有人确切知道发挥作用的方式,油可能堵塞了昆虫与无脊椎动物呼吸用的小孔,但在有关的科学看来更为复杂,油的DNA具有的某种进化防御系统可能发挥作用,由于食用油是种子加工的,进化可能赋予种植某种抗御真菌与害虫的自然机制,这意味着,食用油以至基础油的某种成分具有抵御害虫的天然能力。

人体汗液是天然抗生素,汗液中的化学物质人汗腺抗菌肽能够在略带酸性的含盐汗液中激活,刺透有害细菌的细胞膜,最终杀死这些细。这项研究是2013年2月,由英国爱丁堡大学扎查里亚博士等发现的。根据他们的研究,人汗腺抗菌肽通过汗腺传播,如果皮肤被割伤、刮伤或者被蚊虫叮咬,它们会快速而有效地杀死入侵的细菌。科学家发现人汗腺抗菌肽的分子通道长度极长,具有渗透性和出色的适应能力,能够应对各种细胞膜,同时抗击细菌和真菌。人汗腺抗菌肽的长期功效超过传统抗生素,因为细菌无法快速进化出针对人汗腺抗菌肽的抗药性,这种杀菌剂能够攻击细菌的唯一致命弱点,也就是细胞壁,持续的攻击让细胞壁无法承受。由于这个原因,人汗腺抗菌肽具有巨大的应用价值,可用于研发新型抗生素。

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组成细胞膜的脂类在自然界中容易形成球形膜状结构,细胞里的有机物质——RNA、蛋白质、核糖体,在体外也能够自我组装。对于有机物质来讲,在几十亿年前的有机物质组成“原始营养汤”里,大量聚集一起的有机物质很容易形成原始细胞需要的细胞膜结构、提供原始RNA(DNA的前身)、蛋白质及两者结合的产物。它们聚集一起,就会形成记忆、系统性与自我组装性。病毒只是人们给予相对命名的,而在生物进化历史中,它们只不过是各种形式的有机物质。我们可以把从有机物质进化到生命细胞结构分析如下。

从有机物质向简单结构的大分子蛋白质——RNA(病毒或者其他活性有机物质)进化会形成生命的第一步。

然后拥有简单蛋白质,RNA有机分子继续演化,并使两者结合起来,形成RNA与蛋白质的结构(病毒,或者核糖体结构)。

RNA与蛋白质形成的结合体继续演化,形成复杂的包含其他有机物质的结合体(复杂的大分子病毒,或者复杂的RNA与蛋白质的复合体)。

漫长历史中,它们继续进化、聚集、完善、修补,并拥有细胞膜或者假细胞膜结构,继续进化形成今天的生物世界。

 

 

总结:有机分子聚合下的生命进化

 

在第三章里,我们探索了量子记忆,说明在比有机大分子更小的分子领域,量子能够具有信息记忆的特征。由于人体、生物及万物都是由原子组成的,原子核假如是葡萄(20毫米)大小,那么整个原子有大约200米左右大小。原子内部其他都是电磁场。而电子好比这个200米原子运动场中运动的一粒沙子,光是能量的基础,光本身也是一种电磁辐射,当然科学给予了量子的智慧选择性的证明。20种构成蛋白质的氨基酸的平均相对分子质量是128,如果从量子角度看,有机大分子的分子量都在几千个之上,那么这些分子都可以具有信息特征。

在细胞外环境中,蛋白质、RNA、DNA、核糖体都能够自主组装。这些在细胞环境中表现活跃、像社会分工合作的人X、精确运作的分子,在细胞体内外都表现出了智慧性。

RNA是DNA的前身,RNA具有遗传性,小RNA分子也具有遗传的参与性,核糖体是RNA与蛋白质的结合体。科学已经证明,当没有细胞环境时候,核糖体照样能够复制DNA信息合成蛋白。

我们可以推测,在漫长的生物进化过程中,自然界先是产生了蛋白质(或者接近蛋白质的多氨基酸分子)、RNA等生命需要的初级毛坯有机分子。通过他们的自然聚集,加上适度的环境,就像病毒在特定物质中的活力一样,他们开始形成生命的初级阶段。有机分子互相合作,各自分工:有的负责获取能量,担当细胞膜的功能,有的负责指挥,协调,搬运;有的负责遗传,复制,繁殖,完成从有机分子到细胞微生物的的前奏,随后在细胞毛坯中完成细胞的前期初步进化。

经过几十亿年,细胞中的各个有机分子已经进化的比较完美,专职功能更强,比如RNA分子有DNA专职完成遗传的功能,蛋白质成为细胞与生物的主要框架。

 

 

生命本身就让人充满无限遐想,人体就像一个精密的智能结构,每天都在精确地运作,不被察觉地完成人们的生理功能。生物细胞就像一台台联网的智能的计算机,不仅仅内部完成精密的分工合作,而且也为人体细胞之间的联系提供信息的通道与合作提供方便,当然,生物体细胞远比计算机有趣,有更多的未解之谜等待探索。

组成人体的小小细胞内部有机分子是如何进行精密运算的,有机分子是如何听从统一指挥,如何分工,如何接受信息并行动,很多的科学事实使我们从量子角度来打量细胞的逻辑及其结构,越来越多的证据表明,细胞内的大分子本身一直在用量子特征进行本身的运动。

在人体免疫系统里面,具有免疫原性的物质,其分子量都较大,其中大分子蛋白质和多糖具有强免疫原性,小分子多肽及核酸也具有免疫原性。分子量大于1万的蛋白质,可含有大量不同的抗原决定簇,是最强的免疫原。免疫原性除与分子量有关外,还与其化学结构相关。就这方面来讲,有机化合物的官能团是决定化学性质的主要原因。有机生物分子的功能团化学活泼,功能团能改变邻近原子的几何形状及其上的电子分布,从而改变整个有机分子的化学反应性。比如在有机分子中的杂环化合物中,烃的氢原子可以被不同的功能团(官能团)取代,并产生不同类的有机物。而功能团的结构,也必然在其深层逻辑结构中,量子力学发挥着重要积极的作用,并且有可能创造出功能团自己的分子级别的力学特征,虽然人们目前证据似乎比较模糊。

谁在指挥细胞中的有机物质精确的运作,这些有机分子接受与传递信息的深层原因在哪里,生命的内在原因在哪里,生命的驱动力在哪里,为什么诞生生命,这就是宇宙本身的一个巨大秘密。作者推想生命储存的层级及表达的核心应该在原子核与外部的场与多原子形成的大分子结构层里,这些也包括细胞及多细胞形成的生物体。

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