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宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第18章

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  4.分子生物学观点 

  分子生物学产生后,人们开始从生命物质微观构成的共性来概括生命定义。根据分子生物学的研究,人们对构成生命活动的基本物质有了比较详细的了解。生命体的形状、大小和结构可以千差万别,但它们都是由脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和蛋白质等大分子为骨架构成的。 

  DNA是由4种不同的叫作脱氧核苷酸的小分子(单体)按一定的排列次序组成的一条非常长的分子链,例如大肠杆菌的 DNA就是由约两千万个脱氧核苷酸分子组成的长链。在各种不同形式的生命体中,DNA相当于同样字母写出的长短不同、排列次序不同,因而意义也不同的书。RNA也是由4种不同的叫作核苷酸的单体连接而成的分子链。其情况与DNA相似,但链较短。各种不同形式的生命体中有着各式各样长短不一的 RNA。蛋白质是由20种不同的氨基酸单体按照一定次序连接起来的长链分子。各种不同形式的生命体中具有各式各样的单体排列次序的长短不同的蛋白质链,链的折叠、卷曲形状也各不相同。总之,各种生物的DNA、RNA和蛋白质都分别由4种脱氧核苷酸、4种核苷酸和20种氨基酸单体组成,也就是说它们都是由通用的〃元件〃组成的,这些核酸、蛋白质在各种生物的生命活动中所起的作用也基本相同。 

第47节:一、生命解说(5)


  由于DNA可以自身复制,因而使生命物质具有繁殖和遗传的能力;由于DNA能通过转录和翻译决定RNA及蛋白质的结构,从而控制了生物的形态结构和生理功能;而复制、转录及翻译这些过程又都需要蛋白质、酶及 RNA参与。这样,就有了一个分子生物学的生命定义:生命是由核酸和蛋白质特别是酶的相互作用产生的、可以不断繁殖的物质反馈循环系统。 

  分子生物学上对生命的这种说法是对生命物质的微观结构及其运动过程的描述。它概括了分子生物学的一些重要的理论突破,但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一类东西称为病毒,病毒是由核酸链和蛋白质外壳构成的,单独存在时,好像是一种纯粹的化学物质,并可结晶,但一旦进入了活的特定的宿主细胞中,就可利用宿主细胞内的单体和能量的供应以及复制、转录和翻译的〃机器〃自我繁殖。近来又发现一些被称为质粒的物质,它更为简单,只是一些裸露的环状核酸,但可进出于活细胞之间,利用活细胞内的复制〃机器〃自我繁殖。此外,类病毒也有类似的情况。这些物质是否具有生命,目前还有争论。有人认为,只要能够控制自身繁殖和遗传变异并对进化力量独立做出反应的都应称之为生命。如果这样讲,那么病毒、噬菌体、质粒和类病毒之类的东西就都可划为生命物质。也有人认为,生命体必须能够独立自主地复制、转录、翻译和提供单体及所需的能源,而病毒、类病毒和质粒之类的东西是一种不完整的生命形态,它们都是寄生的,不能独立存在。但后一种观点也不能成为明确的生命定义的划分界限,因为生命体从来就不是一个孤立的存在物,它与周围环境以及与其他生命都有着不可分割的联系,这就使得什么是独立生活、什么是寄生生活失去了明确的意义,因此还需要从宏观的角度、也就是从生态学去研究生命观。 

  5.生态学的生命观 

  就已知的事实看,在太阳系内,生命活动只见于地球的生物圈内─由高约离地表20公里的大气层(当然不包括航天器中的生命),直至地下离地表十几公里的深处,这一相对说来不厚的空间构成。在生物圈内有的生命体具有叶绿素,可进行光合作用,称为自养生物,大部分植物、蓝藻和部分细菌都属于这类生命体;还有一些生物没有叶绿素,不进行光合作用,必须依靠摄取自养生物或其他生物为食而生存,称为异养生物,真菌、动物(包括人在内),以及大部分细菌属于这类生命体。生物圈中的无机物质,通过自养生物的光合作用进入生物体,以后部分通过自养生物自身的代谢活动而回到无机世界,部分为异养生物所摄取,通过代谢活动(包括呼吸、排泄等)又回到无机世界;而大部分植物秸秆和动物尸体最后都经腐生生物(异养生物)的降解作用而返回无机世界。这样就形成了生物圈内的物质运动循环。这种循环运动都是单方向进行,不可逆转。在这个循环运动中少了哪一环或哪一环不通畅,都会影响到整个生物界。没有自养生物或自养生物不足,异养生物当然难以生存;但只有自养生物,没有异养生物,大量有机物质积累后不能降解,也会阻塞自养生物继续生存的道路。 

第48节:一、生命解说(6)


  从物质的简单形式来看,例如在大气中的以二氧化碳形式存在的碳元素,经过自养生物的光合作用,与水化合成糖类进入生命体内,部分经过自养生物自身的呼吸作用,重新成为二氧化碳回到大气中;其他部分又被各种异养生物所利用,通过它们的呼吸作用,回到无机世界。这样就形成了一个碳元素的循环。这个碳元素循环在生命体中还必须与其他很多元素(如氢、氧、氮、磷、硫等)的循环通过化学反应耦合起来,同时也推动了这些元素在空间进行循环运动。在生物圈内,元素的循环运动网络中,有很多交点,这些交点所代表的生物个体的总和就是生物量。这种周而复始的循环运动,不仅在宏观的生物圈中存在,同时在生物体的微观运动中也是存在的。生态学把生命看作是上述生物圈中种种不可逆物质循环过程的中心环节,但它仅描述了生命的外部条件及其所处的地位,却未指明生命本身的质的特点。 

  6.生物物理学的生命观 

  生物物理学出现后,对生命的诠释开始着重从物质运动的一般规律上指明生命特征。我们知道,物质和能量是守恒的,地球与外界没有物质交换只有从太阳辐射得到能量,而又反射和辐射到太空之中。太阳辐射到地球上的能量与地球反射和辐射到太空中的能量相等。尽管地球的物质和能量都没有显著变化,但地球上各种元素由于与太阳辐射发生不同反应就可产生不同程度和不同方式的运动,即产生了上述的各种循环运动,这些运动导致了地球上物质的不均匀分布。因太阳辐射所造成的能量流动对地球的影响在一个长时期内是稳定的、有节奏的和有规律的,所以,地球上物质分布的不均匀性也是有节奏的和有规律的,这就产生了地球上物质分布和运动的有序状态。热力学第二定律用一个叫作〃熵〃的函数来衡量一个系统的均匀程度。一个孤立系统,即与外界没有物质和能量交换的系统,运动总使熵增加。当熵达到极大值时,宏观的物质运动就会停止,称为热力学平衡。此时系统处于均匀的、无序状态。地球不是一个孤立系统,而是一个闭系,即与外界只有能量交换而无物质交换的系统,它接受太阳辐射的能量,同时它又向太空反射和辐射能量。太阳辐射出来的能量使太阳表面呈高温状态(约5800℃),根据熵的定义,它处于相对的低熵形式。而地球向太空辐射的能量,由于地球表面温度远低于太阳,故处于相对的高熵形式。活的生命体是个开放系统,它与外界不仅有能量变换,而且有物质交换。所以,站在生物物理学的角度上来看,生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量,把它们转化为高熵状态并把废物排出体外,从而保持自身的熵处于比环境更低的水平,也就是维持着自身的有序状态。 

第49节:一、生命解说(7)


  生命体的有序性从分子水平看就很明显。它们的大分子如核酸、蛋白质在各种细胞中都有一定的排列顺序,以至一个生态系统都有一定的空间结构。有序性不但表现在空间的分布上,也表现在生命体活动的规律上。它们都有一定的特性:生长、发育、生殖、衰老、死亡以及对外界刺激做出有规律的反应等。因此,用有序性来诠释生命的概念,似乎是比较完全的了。 

  但是,我们仍然有一个地方没有弄清楚。从热力学的观点来看,生命的有序性现象都出自太阳辐射的推动,但是太阳辐射仅仅是生命现象出现的外部条件,因为太阳系还有其他行星,它们都具备这个条件,但却只有地球上有生命活动,生命的出现必然还有它自身的因素。 

  7.对称性破
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