「科普向」生命是什麼?



做這個視頻主要為了致敬大神薛定諤,作為量子物理學家順帶奠定了現代分子生物學基礎,而後繼的各位大神們通過不斷的完善理論,為我們串起並印證各學科對生命和世界的解釋,塑造了這個世界的現代性。

那生命是怎麼來的~生命的物質和能量如何相互轉換?又是如何運作滴涅~這就得說回地球的形成,我們都知道根據大爆炸理論,地球是氣體和塵埃組成的雲團坍縮而成,然後有了水(不管是自生水還是冰彗星撞擊地球帶來的水),形成原始大氣,米勒實驗證實了原始大氣通過閃電可以自身形成有機物(而後又有多種實驗證明原始大氣通過紫外線、γ射線可形成核糖、脫氧核糖、鳥嘌呤等有機分子),這就解決了生命的物質基礎。接下來就是能量轉換的解決方式了:科學家發現在海底有一些鹼性泉口,我們知道原始海洋由於火山噴發,海水中含有二氧化硫、二氧化碳,叫做火山酸性水,當鹼性泉口噴出到酸性海水中,就會形成H+的濃度差,積蓄大量的H+勢能,(這種濃度差或者叫質子梯度)轉化成了化學能ATP,我們所熟知的三磷酸腺苷開始為原始生命提供能量,那原始生命在哪呢,我們剛才說鹼性泉口,泉口的表面有海綿狀的無數小孔洞,大量的孔洞中偶然的集聚了氨基酸、核糖核酸、嘌呤等有機物,又有ATP為其提供能量,原始生命就此誕生。小空洞這種天然隔離功能而後被細胞膜代替,RNA的形成為蛋白的合成和自我複製提供了保證,再以後又演化出了DNA這種更穩定精確的負責遺傳的結構,至此L.U.C.A( Last Universal Common Ancestor)這個生命完全體作為我們生命之祖開始登上舞臺。其實這個過程也是個假說,但卻符合生命的公式:

那什麼是生命的公式?生命是一個過程,是物理和化學定律中,物質與能量的相互作用的過程。能量守恆定律告訴我們能量可以互相轉化;熵增定律告訴我們能量必會在熵增中寂滅。而生命就是以攫取各種能量轉化為化學能,並用於維持自身有序的過程。因此薛定諤說有機體以負熵為生。

我們的祖先LUCA以海水為溶液,以有機分子為原料,利用質子梯度儲存能量。這一切有什麼意義麼?我們來聊聊金剛經的性空吧,LUCA是性空的,它可沒有神經系統來傳遞,更沒有大腦來感知存在。它就這麼應運而生了,它生可不是為了讓你必然出現,世界不會因我而特殊,非要說有什麼意義的話,那就是告知世人放低姿態、不要傲慢。

而後便是生物演化史了,從單性繁殖到有性生殖、從厭氧到有氧、從寒武紀大爆發到顯生宙五次物種大滅絕,再到哺乳類的繁盛,直至人類的出現。一直被自然選擇著,不只是我們無能為力,而是誰也沒法有能為力。

我們聊生命,其實與氧密不可分,這就主要針對複雜一點的生命體討論了,因為我們知道生命的創生首先是厭氧的,而後才是有氧生物,這也是寒武紀物種大爆發猜測原因之一。我們都明白人類依氧氣為生,脫離了氧氣我們這個個體短時間內就得衰亡,這也是上面我們說生命起源時,最初利用能量的方式是ATP而不是更有效率的有氧呼吸,因為當時地球還沒有氧氣呢(直到26億年前,藻類才演化出了光合作用的能力),這就不展開說了。回來說氧的最終形態就是氧化物,主要途徑當然就是釋放能量的氧化過程。我們有氧呼吸為了什麼,為了釋放能量供給機體的生命需求,而且不只是能量轉換層面需要氧,在物質層面,組成人體的元素中,氧元素佔62%。

上期我們提到薛定諤的名言:生命以負熵為生。可生命過程真的可以對立熵增定律一直保持有序狀態生存麼?我們都知道這不可能,生命雖然攫取能量來維繫其存在度,但也沒法違揹物理規律,終將衰亡,這又是怎麼樣一個過程呢?這就是氧化。

先說結論:單個細胞想要持續維持有序穩定的生存活動是做不到的,所以生命只是個過程。從分子層面來講,受到複雜因素的影響就非常多。很難保證不出一點差錯,就像在熱泉口形成最初生命時也同樣複雜,自身尚且不能保證有序,更何況受到紫外線、輻射、高溫等等外部影響,都會引起分子結構或狀態的改變:分子層面常見的就是共價鍵的斷裂,生成叫自由基的分子結構,而斷裂的是氧元素的電子的話,我們叫它氧自由基。我們都知道,失了配對電子的氧,有著非常高的化學活性,這就會見誰搶誰的電子,去氧化他們,好形成自身的穩定結構(氧化物)。我們剛才說氧元素占人體62%的比重,所以自由基據測定95%都是氧自由基。我們做個思想實驗,生理狀況下細胞內存在的抗氧化物質可以及時清除氧自由基(也就是給他們提供電子使其穩定),使氧自由基的生成和降解處於動態平衡,這就是有序狀態;一旦活性氧生成過多或機體抗氧化能力不足,沒法及時清除氧自由基,則可能引發氧化應激連鎖反應導致細胞死亡。也就是說抗氧化能力強於自由基的生成,細胞才會暫時維持有序的生命過程,但是形成自由基的情況實在是太多了,紫外線啊、輻射啊各種環境因素,甚至精神的緊張和壓力也會通過內分泌促使自身形成更多的自由基,正因如此,我們才說生命的消亡也是必然的,生命仍然是遵循熱力學第二定律,走向寂滅的。

最終結果雖然絕望,但過程中我們總能人為地減緩這個衰亡的過程,阻止自由基氧化對細胞的危害,通過攝入有效的抗氧化劑來維持生命的有序性:比如VC、VE等,但VC、VE針對的自由基種類又有限;另一種我們熟知的花青素針對種類就比較多,更具廣泛性,但也有問題,其中大部分生物類黃酮,自身體量太大,無法通過細胞膜,從而很難對細胞內部自由基的侵害發揮作用,幹看著沒轍,有效性大打折扣;最終人們發現了一種低聚原花青素(4000多種生物類黃酮的總稱),其大小都是分子級別,可以透過細胞膜,在細胞內部清除氧自由基。目前為止發現最為優秀的天然複合抗氧化劑是以法國西南沿海朗德鬆鬆樹皮提取物為原料的碧蘿芷,其中除了低聚前花青素成分之外還有多種果酸,如咖啡酸、阿魏酸、沒食子酸等,這種天然複合、又超強抗氧化,實屬難得。

從生命的誕生到衰亡,我們所說的其實只是個假說,所有的關鍵問題我們都還沒有答案,我們並不恐懼我們知道自己不知道的,卻應時刻敬畏未知的無知,最後再說一遍,人類的渺小同病毒並無差別,我們的意識也許只是為了協作而進化出來的代償功能,生命是否必然我們也無從解釋,但從智人說出“聽說河邊有個小姐姐洗澡”的那一刻,好奇心確實點亮了整個生命使之光芒萬丈。到此致敬各位大神!

(還有一句心裡話:真實世界很複雜,剛好複雜到沒有態度的程度。你品,你細品。)

參考文獻:

薛定諤.什麼是生命[M]. 北京: 北京大學出版社, 2018.

王東嶽. 物演通論[M]. 北京: 中信出版社, 2015.

王立銘.什麼是生命[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2018.

趙保路.氧自由基和天然抗氧化劑[M]. 北京: 科學出版社, 1999.

古爾德.生命的壯闊[M]. 江蘇科學技術出版社, 1999.

道金斯.自私的基因[M]. 北京: 中信出版社, 2012.


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