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第4章 露卡醒來了!!!

  • 細胞傳記
  • 羽詡
  • 2002字
  • 2024-07-18 17:15:35

有一個原始細胞將所有的能量流和碳流全部應用到RNA復制上,因為這群家伙是一堆自私的RNA分子,沒有其他代謝情況,這意味著它很快就會死去,而相反的是,有的細胞反應池通過交流、掠奪,將自己的基因組隨微流入侵到別的細胞中,逐漸形成了一部完整的代謝流雛形。比如進化出向外排泄廢物的載體蛋白,當然編碼核糖體的這些管家基因代謝已經完備。但是目前的問題是細胞仍然需要靠天然的質子梯度,如果需要更進一步的進化,能量的需求必須增加,并且一開始基因之間的交流可能是有益的,但是隨著一個細胞代謝系統的完善,可能再有核酸片段的加入便是一種致命攻擊。如此說來,露卡要想醒來,必須開始增加細胞膜的不通透性,但是一個困難就是,伴隨著代謝系統與膜封閉的共進化,能量的問題得克服。露卡祖先也很頭疼這樣得問題,它想了一個辦法,為了保持質子梯度得恢復,它編碼了一個個質子泵向外泵質子,但是可笑的是,這就像一個游泳池一邊注入水,一邊放出水一樣,你給外面的水源再注水,進入游泳池的水的速度是一樣的。所以質子泵好像作用不大,顯然這個露卡失敗了。

另外一個露卡祖先也許為生命畫卷留下了最美的一筆,因為它進化出這個世界最精密的能量制造機器——ATP酶,這樣美麗的蛋白分子該讓我如何形容尼?請允許先介紹它的工作機制,這個復合體長得有點像水車輪,有一組葉片在膜內轉動,這些葉片叫做“F0”部分,葉片的頂部連接了一個像是帽子的結構,這部分叫做“F1”它們浸在細胞質內部里。

想象一下,當水流沖過水車輪的時候,車輪會轉動,但是,要讓這臺生物能量機器運行起來,需要有一個推動力,那就是質子梯度。你可以把質子梯度想象成是水壩兩端的水位差。這個梯度就好比是潛在的水能,它驅動著質子通過ATP合酶的F0部分回到細胞內部,從而推動葉片轉動,最終產生了ATP。它把轉動能轉換成了化學能,用來將ADP(腺苷二磷酸)和無機磷結合,制成ATP。這就是所謂的“機械化學轉換”。

漂亮吧,ATP酶的編碼直接讓露卡祖先的能量提高了以前的60%,大量氫離子涌入以及細胞膜外的氯離子聚集,這時的質子泵起到了重要的作用,因為原始細胞必須保持膜內外質子電化學梯度,稍有差池整個代謝系統會立刻崩潰。但是問題就在于,目前細胞能量的提供主要還是需要細胞膜上的微孔來創造,如果關掉細胞膜微孔,ATP合酶所生產的ATP完全不能供應代謝的進行,并且ATP的原料要依賴膜微孔處質子梯度的形成,因此露卡祖先依舊不能進化出封閉的膜。否則就會危險重重。

現在為露卡想想要封閉膜要面臨的問題有多嚴峻,第一,需要克服能量供應,也就是說,當ATP酶將質子大量涌入細胞內時,需要在細胞清理內部質子時有額外能量的輸入。其次封閉膜后需要進化出剝奪氫氣的電子,從而保持碳流,因為之前都是借用膜微孔處的質子梯度。這位露卡母親很聰明,它想了一個辦法,首先細胞膜微孔界面質子梯度的主要作用是剝奪氫氣的電子,形成穩定碳流,其產生能量貨幣的功能已經被質子泵和ATP合酶逐漸替代。所以它將質子泵做了改造,使得質子泵一邊剝奪氫氣的電子,一邊將氫離子泵出細胞外,這被稱為氧化質子泵,真是一舉兩得。如今這樣得過程和古菌產甲烷菌過程高度相似。

因為ATP酶和氧化質子泵的出現,細胞的微孔半徑已經縮小,細胞對鈉離子的通透性極小,隨后它又將ATP合酶做了改造,讓它同時能流入鈉離子和氫離子制造ATP,這樣只需要再制造再建立一個鈉離子梯度就好。這樣細胞就可以在清理細胞內部氫離子的時候由鈉離子梯度提供能量,于是它又進化出了Na+/H+反向轉運載體蛋白,每泵出一個鈉離子泵進來兩個氫離子,這樣的話,便克服了所有的問題,慶祝露卡醒來了,完成了細胞膜的高度不滲透性,至少它變得完整了。

如今的露卡已經今非昔比,稱為地球上第一個始祖細胞,不過這里需要明白的一件事情是細菌和古菌同樣古老,它們雖然是原核生物,但是差異確是很大,主要體現在細胞壁細胞膜的成分以及基本代謝的方面的差異,古菌的基礎代謝途徑與真核生物類似(如轉錄、翻譯等)。所以從此推測細菌和古菌的共同祖先應該始于“石細胞”的基因平凡交流時期。露卡可以走出去了嗎?答案是可以,但是馬上會死亡,原因是什么?是細胞滲透壓以及那個老大難的問題——質子梯度,這樣的酸池供應能量系統是自然母親為它烙下的生命之印。所以它出門之前必須自身攜帶酸池,而且,由于自身細胞內部化學物質濃度極高,很容易被滲透壓殺死,吸水漲破。怎么辦尼?真是讓露卡焦慮,先前出門的幾個自傲狂都死了。

其實如今裝備精良的露卡比自己的母親面對問題游刃有余多了,因為有遺產物質穩定且多樣的資本。不就是增加細胞剛性和酸池嘛,再額外帶一層“鋼板”就可以了,這次不需要數億年,很快,大批糖類物質分泌出細胞外,細胞壁誕生了。細菌和古菌的祖先露卡都有自己的策略,這樣話,不但將細胞膜固定在細胞壁上,而且在細胞壁與細胞膜之間建立酸池,不但克服滲透壓的問題,而且克服剛性問題。現在的露卡全副武裝,隨著熱液流入廣袤無垠的大海,不過它不能走的太遠,因為它需要氫氣。

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