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生命三问(中):为什么要有性?

作者: 桐乡一院 发布时间: 2020年03月10日 18:22:22

文 | 袁越

前天我们讨论了地球生命是如何在40亿年前从无到有地进化出来的【生命三问(上):生命是如何进化出来的?】,今天我们再讨论一个很重要的问题,那就是这个世界上为什么要有性?各位喜欢琢磨事儿的朋友请上车,跟我一起探讨一下这个严肃的话题。

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想象一下,如果一个物种全部采用无性繁殖,其中的每个个体都能独自生育后代,无需再浪费时间和精力去寻找配偶,其繁殖效率肯定会大大提高,而且也不会得性病了。除此之外,一旦这个种群中的某个个体进化出了某种生存优势,比如一群短颈鹿中突然出现了一头长颈鹿,那么它也无需和另一头短颈鹿合作生子,导致生下的后代脖子长度减半,那该有多好啊!

事实上,有一大类生物就是这样的,这就是原核生物(Prokaryotes)。目前已知的所有原核生物可以分成两大类,一类叫做细菌(Bacteria),另一类叫做古细菌(Archaea),两者在细胞膜结构和蛋白质合成方式等关键部分存在差异,可以看成是两类完全不同的生物。

生命三问(中):为什么要有性?

细菌、古细菌和真核生物进化关系图

虽然存在很多根本差异,但细菌和古细菌都是没有性的,它们全都可以独立完成繁殖任务。与之相反,所有真核生物(Eukaryotes)都是有性的,即使它们当中的一部分物种(比如酵母菌和部分植物)仍然具备无性繁殖的能力,但它们肯定会在其生命周期的某个阶段进行有性生殖,没有例外。

换句话说,性这东西是和真核生物一起出现的。要想解释这个世界上为什么会有性,那就必须首先了解一下真核生物是如何进化出来的,它们和原核生物的差别究竟在哪里。

考古证据显示,第一个真核细胞是在20亿年前才出现的,这说明原核生物统治了地球长达20亿年之久。假如那段时间有个外星人造访地球,他必须用显微镜才能看到地球生命的样子。

和生命一样,真核生物也只进化出来一次,因为今天所有真核生物的细胞结构都是差不多的,其新陈代谢的基本模式也都非常相似,说明它们全都是第一个真核细胞的后代。

那么问题来了:专家们不是都说进化的力量很强大吗?为什么原核生物用了20亿年还没有进化成真核生物呢?关于这个千古之谜,科学家们讨论了很多年都没有答案,直到美国生物学家琳·马古利斯(Lynn Margulis)于1960年代提出了线粒体内共生学说,这个问题才终于有了靠谱的解释。

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在详细介绍这个假说之前,让我们先来看看原核生物在进化的过程中遇到了哪些无法克服的困难。

前天那篇文章里说过,所有生命活动都是用ATP来供能的,没有例外。而ATP是靠跨膜电位差生产出来的,因此ATP的产量和细胞膜的总面积成正比。我们可以简单地把ATP想象成太阳能发电,电池板的效率其实都差不多,所以决定太阳能电厂总发电量的最大因素就是电池板的总面积。

众所周知,一个球体的表面积是直径的平方,体积是直径的立方,所以当细胞变得越来越大时,单位体积所能分到的表面积就会越来越少,导致细胞被饿死。所以原核细胞都非常小,平均体积是真核细胞的1。5万分之一。

除此之外,原核细胞的基因组也很小,最大的细菌基因组也只有1200万个碱基对(ATGC),其中包含大约5000个基因。相比之下,人类细胞的基因组有30亿个碱基对,包含两万多个基因。目前已知最大的真核细胞基因组含有超过100亿个碱基对,基因数量至少有数万个。

换句话说,ATP生产方式决定了原核细胞无法克服能量供应不足的短板,导致原核细胞的结构一直非常简单,即使进化了20亿年也复杂不起来。这个困难最终被真核细胞以一种非常巧妙的方式克服了,这就是线粒体(Mitochondria)。

生命三问(中):为什么要有性?

线粒体内部结构示意图

线粒体是真核细胞内的一种微型细胞器,专门为真核细胞生产ATP。这个生产过程仍然需要用到跨膜电位差,因此线粒体所产生的能量同样是和线粒体内膜的总面积成正比的。但因为每个细胞内都含有成百上千个线粒体,线粒体内膜也是充满了皱褶,这就大大增加了内膜的总面积,产生的能量要比仅靠细胞膜产生能量的原核生物多得多。

据统计,人体所有细胞内的线粒体内膜表面积加起来约有1.4万平方米之多,大致相当于4个足球场那么大!

英国生化学家尼克·莱恩在他那本划时代的著作《至关重要的问题:为什么生命会如此?》(The Vital Questions:Why Is Life The Way It Is?)中指出,真核细胞和原核细胞最本质的区别就是前者摆脱了能量束缚,导致平均每个基因所能分到的能量是后者的1200多倍!这些多出来的能量大都用于合成蛋白质了,所以真核细胞的内部结构要比原核细胞丰富得多,这才有可能进化出复杂的多细胞生物,包括我们人类。

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