第三章 生命是什么

 

       宇宙中为什么会有生命这种现象的出现,生命的出现是必然的吗,这是一个难以回答的问题。但是,如果我们反过来思考,如果没有生命这种存在的出现,没有生命对宇宙的感觉感知,那么宇宙的存在有意义吗,不能被感觉感知也就无所谓存在。

        我们是否可以得出这样的结论,宇宙之所以存在是因为生命的缘故。


       长久以来,人们认为生命是一个复杂、不可思议、包含着神秘的现象。生命体有复杂的微观分子结构;动物有眼睛、鼻子、耳朵、大脑……;要经历出生、生长、繁衍、衰老、死亡的过程;更神奇的是能够感觉和感知这个世界。那么,生命究竟是什么?我们应该怎样认识生命?


       生命显示出某些奇妙的规律性和秩序性,是任何无生命物质难以比拟的。那些决定生命最基本的东西,既看不见、也摸不着,人们不清楚微观世界里原子、分子们都做了些什么。

        如果没有现代物理学和分子生物学的发展,读懂生命的难度可以想象。


        认识生命,我们仅有一条途径,即在自然科学的范畴内,从组成生命的基本物质入手,走最直接最实在的路线。

         我们去看看组成生命的基本成分是什么,它们是什么样的结构,有什么特性,各种成分之间的关系是什么,运行的原理是什么?

         如果不了解生命的基本结构,以及结构和功能之间的关系,就很难触及到生命的本质。


        生物体的结构可不是一般的复杂,其复杂性超出人们的想象。

       生物体从其组成的分子、细胞、组织、器官和系统的各个层次上都是高度有序的、复杂的、组织化的。各个层次的结构对应于一定的功能,结构与功能适合于特定的环境条件。

        不仅仅是复杂,那些涉及到生命本质的东西往往隐藏在难以被观察到的地方,让人难以接近真相。


        组成生命的基本单元是细胞,每个细胞里原子数目都是天文级的,细胞的结构精密又复杂。

        拿一个细胞出来分析一下,人们发现组成细胞的元素其实也没有什么特别的:碳、氢、氧,另外还有磷、硫、钙、镁、钾、铁等元素。有人要问:为什么这些很普通的元素结合在一起就会产生生命这种神奇现象,也就是生命的运行机制是什么。

       虽然组成生命的物质很普通,但这些普通的物质能够结合成一些有特殊功能的东西,也就是生命的组件,它们也是一些看上去并不神秘的化学物质,如核苷酸、氨基酸、糖、脂,还有水、无机盐等,这些化合物有着不同于单质元素的属性。

        由此看来,生命的特性不在于组成生命物质本身,而在于各种物质之间的关系。

        研究生命,就是研究物质结构以及结构中各种物质之间的关系。


        随着现代分子生物学研究的深入,我们逐步能够窥探到微观世界里一些隐秘的东西,人类对于生命的认识又翻开新的一页。

        在微观世界里,生命这种有机体不是元素的杂乱堆砌,而是严整有序的。

        生命体最神奇的地方是细胞内分子的组成及其相互作用的方式。生物学家发现,生命的基础结构主要由几类分子组成,它们是维持生命运行的重要部件,我们就去看一下它们究竟是些什么样的东西。


       首先,我们来看DNA。

       DNA大家很熟悉,DNA是脱氧核糖核酸的缩写,一类带有遗传信息的生物大分子。

       提到DNA,大家会想到基因、遗传,还可能想到案件侦破、亲子鉴定什么的。

       虽然是一个很熟悉的词,但一般人只知道它和遗传有关系,有关它的许多细节并不十分清楚。

       DNA存在于细胞核、线粒体、叶绿体中,也可以以游离状态存在于某些细胞的细胞质中。

      DNA里有四种化学物质,这四种东西的总名字叫核苷酸,虽然都姓核苷酸,但名字却有所不同,分别是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T),这四种名字挺难记,不过只要记住DNA是由四种核苷酸聚在一起的长长的链就可以了。

       核苷酸是构成核酸的基本单位,由一分子含氮碱基,一分子五碳糖,一分子磷酸构成的。

        DNA分子极为庞大(分子量一般至少在百万以上)。DNA外侧是脱氧核糖和磷酸交替连接而成的骨架,由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋, 相互平行而走向相反形成双螺旋构型。碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。

       在这个结构中,每三个碱基可以组成一个遗传的“密码”,而一个DNA上的碱基多达几百万,所以每个DNA就是一个大大的遗传密码本,里面所藏的遗传信息多得数不清,这种DNA分子就存在于细胞核中的染色体上。它们会随着细胞分裂传递遗传密码。

       人的DNA共有30亿个遗传密码,排列组成约2.5万个基因,每个基因是由密码来决定的。人的基因中既有相同的部分,又有不同的部分。不同的部分决定人与人的区别,即人的多样性。


       DNA还有一个兄弟,叫RNA。

       RNA是核糖核酸的简称。RNA由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。RNA的碱基也有4种,即A腺嘌呤、G鸟嘌呤、C胞嘧啶、U尿嘧啶,其中,U(尿嘧啶)取代了DNA中的T。

       RNA是以DNA的一条链为模板,以碱基互补配对原则,转录而形成的一条单链,主要功能是实现遗传信息在蛋白质上的表达,是遗传信息传递过程中的桥梁。

       RNA有不同的种类:mRNA(信使RNA)、tRNA(转运RNA)、rRNA、miRNA、小分子RNA、端体酶RNA、反义RNA、核酶。

       mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来,然后再由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序,完成基因表达过程中的遗传信息传递过程。

       tRNA能在蛋白质合成时与信使RNA上的“密码”相识别。

       rRNA称为核糖体RNA,是组成核糖体的主要成分。核糖体是合成蛋白质的工厂。rRNA一般与核糖体蛋白质结合在一起,形成核糖体。

       MicroRNAs是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA,其大小长约20~25个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的,随后组装进RNA诱导的沉默复合体,通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA,并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。最近的研究表明miRNA参与各种各样的调节途径,包括发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。


       除了DNA和RNA之外的另一重要成员——蛋白质。

       蛋白质这个词大家也很熟悉,它和我们日常生活有密切关系,是身体需要的营养物质,含蛋白质的食物大多味道鲜美,我们一日三餐都要从食物中摄取蛋白质。

       不过,在生物学中,蛋白质被视为一种生物功能分子,和我们日常理解的有很大区别。

       蛋白质是生命的物质基础,没有蛋白质就没有生命。所有器官、组织都含有蛋白质,细胞的各个部分都有蛋白质。

       蛋白质的种类很多,性质、功能各异,它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质,机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质能组成各种不同的结构,有固态的、半液态的、液态的,身体的骨骼、肌肉、血液、脑组织等都与蛋白质有关。

       氨基酸是构成蛋白质的基本单位,赋予蛋白质特定的分子结构形态,使它的分子具有生化活性。蛋白质是生物体内重要的活性分子,包括催化新陈代谢的酵素和酶。不同的氨基酸脱水缩合形成肽(蛋白质的原始片段),是蛋白质生成的前体。

       蛋白质具有三维空间结构,能执行复杂的生物学功能,蛋白质结构与功能之间的关系非常密切。蛋白质是由一条或多条多肽链组成的生物大分子,每一条多肽链有二十至数百个氨基酸残基(-R)不等;各种氨基酸残基按一定的顺序排列。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。

       氨基酸有20种,蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。不同的氨基酸组合同样能编码千变万化的信息。氨基酸能按照DNA传递的密码子指令信息来对象性地排列,并在各种因素的调节下进行表达。不同物种千变万化的由核苷酸排列的遗传信息,可形成相应的各种类型的由氨基酸千差万别排列组合的蛋白质。不同的生物分子之间环环相扣,各自承担相应的职能。

       除了遗传密码所编码的20种基本氨基酸,在蛋白质中,某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化,从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以一起,往往是通过结合在一起形成稳定的蛋白质复合物,折叠或螺旋构成一定的空间结构,从而发挥某一特定功能。合成多肽的细胞器是细胞质中糙面型内质网上的核糖体。蛋白质的不同在于其氨基酸的种类,数目,排列顺序和肽链空间结构的不同。

       人体内的一些生理活性物质如胺类、神经递质、多肽类激素、抗体、酶、核蛋白以及细胞膜上、血液中起“载体”作用的蛋白都与蛋白质有关,蛋白质它对调节生理功能,细胞间信息的传递,维持新陈代谢等起着极其重要的作用。人体运动系统中肌肉的成分以及肌肉在收缩、做功、完成动作过程中的代谢无不与蛋白质有关,离开了蛋白质,体育锻炼就无从谈起。

       蛋白质中最奇特的是酶,酶是一种重要物质,酶的功能是催化反应,酶推动反应的发生,术语就是降低反应的活化能,让一些难以发生反应的物质之间产生化学反应,它既能让物质结合,也能促使它们分离。蛋白质可以和其它物质嵌合,能传递信息,对基因进行调控。

       据估计,细胞内活动着的酶约有8000余种,有很多种酶还是未知的。酶是特异性极强的蛋白质。在组装成蛋白质的过程中,这些活化酶出现在特定的位点,发挥着精确的催化作用,正确完成在细胞内的作业。


       核酸、氨基酸是组成生物的核心物质,其他还有糖、脂、无机盐等。

      糖在生物体内(或细胞内)通过生物氧化释放出能量,供生命活动的需要。生物体内作为能源贮存的糖类有淀粉、糖原等。有些糖是重要的中间代谢物,糖类物质通过这些中间物为化合成其他生物分子如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等提供碳骨架。

      脂类具有储能、提供能量和保温的作用、细胞膜成分、荷尔蒙原料、隔离细胞内生化反应等作用。


       自然界生物千差万别,但构成不同生物的物质基本相同,主要成分以碳水化合物为主。

       组成生物的基本单位是细胞。不同的组织和器官由不同的细胞组成,它们相互结合形成一个整体的生命系统。细胞的生命开始于产生它的母细胞的分裂,结束于它的子细胞的形成,或是细胞的自身死亡。在细胞这个微观世界里,分子们进行着复杂的运动,频繁发生各种化学反应,即物、能、信息的运转。

       细胞的运行是DNA——RNA——蛋白质不断重复的过程。DNA核苷酸序列是遗传信息的储存者,它通过自主复制得以保存,通过转录生成信使RNA,进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象,即贮存在核酸中的遗传信息通过转录,翻译成为蛋白质,生物的生理功能是以蛋白质的形式表达出来的。当然,实际过程要复杂得多。

      现今人类对生命的认识还是很有限的,在生命的微观世界里,物质种类众多,像是不同种类的核酸、肽链、酶等,并且它们之间的相互关系非常复杂,所以,要想把生命认识清楚还有很多研究工作要做。


       有人说,生命体像一架机器,这话不无道理。

       我们拿汽车来做比喻,汽车由很多部件组成,有发动机、齿轮箱、车架、车轴、车轮、转向系统、电路、油箱,……,汽车是一个整体概念,单独一个部件还不能称为汽车。如果缺少某个重要部件,汽车就开动不了。

       生命体也一样,它由很多部件组成,单一部件不能叫做生命,不同部件组合在一起,相互配合,才表现出一个活体特征。

       只不过,汽车是人由设计制造的,而生命是根据一定的规律自然形成的。

       生命体的构造和运转机制要比汽车复杂得多,每个生命体都是一架无比精密的机器。这也让我们生出许多感慨,人其实也没有什么可骄傲的,我们的创造力和自然的比起来显得那么微不足道。

        也许,有那么一天吧,人类自己也能创造生命。那一天,人自己也成了上帝。


       自然好像在有目的地进行着物质的创造,先有原子、分子、有机分子,然后糖类、脂类、核酸、氨基酸被创造出来,接下来这些物质在特定条件下被整合在一起,生命由此构成。

       为什么会演化出像核酸和氨基酸序列这样神奇的物质,它们有无数种排列组合,这些组合有相对应的环境因子,可以表达出各种生物结构和功能,并由此演化出多姿多彩千变万化的生物世界。

       生命的运行机制非常非常复杂,许许多多的分子,这些分子有各自的化学属性,它们被有序的调度,彼此恰当的衔接配合,实现了生命的运转。

        为什么会有如此精妙的关联方式,是不是谁有意为之,或仅仅是一种巧合,现在还没有人能够回答这样的问题。

        宇宙的存在需要被感知和认知,否则它的存在有什么意义。生命的存在必须通过某种物质结构来表达和呈现,而核酸、氨基酸这类生物分子出现的目的就是为了承载生命,这些特别的物质组合在一起使生命成为一种可以对宇宙进行感知和认知的存在。


       生命是什么,生命这种存在有什么特征或属性,这里再做下总结。

       生命是高度组织化的物质结构,核酸、蛋白质等相互作用的生物大分子构成其分子基础,通过生物膜结构实现其内、外之间和内部的分隔化,内部无数相关的生物化学反应循环系统,这个系统靠外界能量输入和内、外物质交换保持平衡和有序状态,同时实现其自身复制和应对环境的变化。

       自我复制、新陈代谢和产生适应性变化是生命区别于非生命的特征。生命系统的这些特征,其基础是物理化学过程,服从物理化学规律。可是,这些物理化学变化的结果,却转化为生命这种现象。虽然这三个基本属性的某一个,或某个属性的某些侧面,在无机界有机界也可能存在,但只有生命体将这几种属性结合在一个体系中。

       首先,生命是能够进行自我复制的系统。生命的自我复制有不同于化学系统的特征。自我复制是指DNA分子的解旋、两链分开,各自合成互补链,从而形成两个新的然而又相同的分子。细胞分裂、生命繁殖是在分子复制基础上进行的。生命存在的状态下,或为一个活体时,总存在自我复制,它是贯串生命过程始终的属性。

       生命的另一属性表现为生物体的代谢功能。生物体是一个半开放的系统,它和周围环境不断进行着物质和能量的交换。一些物质被生物体吸收后,在其中发生一系列变化,体内的一些物质被新物质替代,它们与未被吸收的物质一起被排出体外,这被称作新陈代谢。通过新陈代谢生物体获得养分和能量补给。

       而作为生命最重要的特征,是它所具有的反映环境变化的能力,能通过与环境的互动不断取得进化。生物从约38亿年前至今,经历了由简单到复杂,由低级到高级的演变过程。进化表现为生物对于环境的适应,各种生物结构和组织与环境因素相对应,生物发展出感觉和感知这个世界的能力。


       根据当今的认知水平,我们这样来定义生命:它是具有自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对环境刺激产生反应等复合现象。简单地说,生命是一个能够生长、繁殖、代谢、应激、运动、生存意识的复杂的物质系统。从植物的光合作用把阳光和水转化为氧气和物质能量,到动物吃食物通过消化系统提取能量通过血液循环输送到大脑,通过肺呼吸空气,吸收氧气,也运输给大脑。大脑里的脑细胞消耗氧气和养分,通过神经元进行工作和思考。

      说到底,生命是一种能够对环境变化做出主动反应的复杂的物质结构或系统,它能够感觉、感知宇宙或自然的存在,并且这种感觉、感知随生命的演化不断深化。

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