大虎说事

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。

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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。

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。

王大虎
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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。”

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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。

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:

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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。

 

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