生命起源
生命起源
芝加哥大學的Stanley Miller和Harold Urey于1953年在幾只玻璃瓶里注入了甲烷、氨氣、氫氣和水，然后用電極制造人工閃電，模仿生命出現之前的地球環境。一個星期之后，玻璃瓶里檢測出了單糖、脂類和氨基酸等有機化合物，說明有機物完全可以在地球環境中自發產生，不需要借助上帝之手。
Stanley Miller，1930～2007，美國化學家。UCB本科（1951）+University of Chicago博士（1954）。UCSD教授。美國科學院院士。Harold Urey的學生。
Harold Clayton Urey，1893~1981，美國化學家、物理學家。University of Montana本科（1917）+UCB博士（1923）。Columbia University、University of Chicago教授。參與曼哈頓計劃，負責鈾235和鈾238分離。諾貝爾化學獎得主（1934）。
Peter Mitchell是少數幾個具有大局觀的科學家，他意識到生命和其所處的環境是密不可分的，兩者必須結合起來加以研究。他發現ATP分子是靠細胞膜兩側的電壓差來充電的（1961）。這個理論聽上去太反常識了，人們不相信生命竟然會用如此之笨的辦法來為細胞活動提供能量。
Peter Mitchell，1920～1992，英國生化學家。Cambridge博士（1951），Edinburgh University教授。諾貝爾化學獎得主（1978）。
不過，在另一些人看來，生命之所以采取了這種奇怪的方式生產ATP，只能說明一個問題，那就是地球上最早的那個生命就是用的這個方法。要知道，能量供應對于生命而言實在是太重要了，一刻也不能停，所以此后的所有生命形式只能繼續沿用這一方式，沒有任何試錯的余地，也就無法進化出更合理或者更高效的方法。
換句話說，地球生命很可能起源于一個具有天然質子濃度梯度的地方。
1988年，一位名叫麥克爾·拉塞爾（Michael Russell）的美國地質學家在《自然》雜志上發表了一篇簡短的讀者來信，首次提出“堿性熱液噴口”（Alkaline Hydrothermal Vent）才是真正的生命發源地。
值得一提的是，除了質子濃度梯度之外，還有一個原始性狀被保留了下來，這就是催化劑。絕大部分新陳代謝所需的最重要的酶的核心結構都是在蛋白質外殼包裹下的硫化鐵，后者正是這些酶的催化反應中心，這說明新陳代謝所需的催化劑一直就是硫化鐵，只不過現在以酶的形式存在而已。
綜上，細胞膜是有可能在天然環境下自發產生的，于是一些脂肪酸自發聚集在一起，形成了細胞膜，代替了巖石縫隙所起到的隔離作用，成為細胞微環境和海洋大環境之間的分界，質子梯度則繼續為細胞膜兩側提供電壓差。
之后，某些進化出質子泵的微環境逐漸脫離海底煙囪的束縛，釋放到海洋中，它們就是原始細胞的雛形。因為這些質子泵的存在，這些原始細胞不再需要海底熱液了，它們可以從環境中吸收有機物作為燃料，自己為自己構建質子濃度梯度，繼續為ATP充電。
最早的遺傳物質是RNA，它既可以負責為蛋白質編碼，又可以擔任酶的角色，自己復制自己。就這樣，生命又進化出了基本的遺傳結構，可以把大自然的創新記錄下來并傳播下去。
地球上究竟有幾種生命形式？當亞里士多德建立生物學時，他用二分法則將生物分為動物和植物。顯微鏡的誕生使人們發現了肉眼看不見的細菌。
細菌在細胞結構上與動植物的最根本差別是，動植物細胞內有細胞核，遺傳物質DNA主要儲存于此，而細菌則沒有細胞核，DNA游離于細胞質中。
由于動物與植物的差別小于它們與細菌的差別，沙東（E. Chatton）于1937年提出了生物界新的二分法則，即生物分為含細胞核的真核生物和不含細胞核的原核生物。動植物屬于真核生物，而細菌屬于原核生物。
1859年達爾文發表《物種起源》以后，生物學家便開始建立基于進化關系而非表型相似性的分類系統，即所謂系統發育分類系統。
1970年代，隨著分子生物學的發展，C.R.Woese發現原先被認為是細菌的甲烷球菌代表著一種既不同于真核生物，也不同于細菌的生命形式。考慮到甲烷球菌的生活環境可能與生命誕生時地球上的自然環境相似，伍斯將這類生物稱為古細菌。據此，Woese于1977年提出，生物可分為三大類群，即真核生物、真細菌（Bacteria）和古細菌（Archaea）。
詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）屬于古生菌，該菌發現于1982年。生活在2600m深、260個標準大氣壓（2.6×1072.6×10^72.6×107Pa）、94℃的海底火山口附近。1996年由美國基因組研究所（The Institute for Genomic Research,TIGR）和其他5個單位共40人聯合完成了該菌的基因組全測序工作。這是完成的第一個古生菌和自養型生物的基因組序列。根據對該菌全基因組序列的分析結果，完全證實了1977年由Woese等人提出的三界域學說。
細菌和古細菌都是沒有性的，它們全都可以獨立完成繁殖任務，與之相反，所有真核生物（Eukaryotes）都是有性的。
第一個真核細胞是在20億年前出現的，在此之前原核生物統治了地球長達20億年之久。
當細胞變得越來越大時，單位體積所能分到的表面積就會越來越少，而ATP是靠跨膜電位差生產出來的，因此ATP的產量和細胞膜的總面積成正比，這就會導致細胞被餓死。所以原核細胞都非常小，平均體積是真核細胞的1.5萬分之一。
ATP生產方式決定了原核細胞無法克服能量供應不足的短板，導致原核細胞的結構一直非常簡單，即使進化了20億年也復雜不起來。這個困難最終被真核細胞以一種非常巧妙的方式克服了，這就是線粒體（Mitochondria）。
Lynn Margulis提出了內共生起源學說(endosymbiotic theory)。
美國生化學家威廉·馬丁（William Martin）認為第一個真核細胞是由一個古細菌吞噬了一個細菌而產生的，那個古細菌是依靠氫氣生活的，而它吞進去的細菌能夠生產氫氣，正好為宿主提供了最需要的養料，于是雙方共存了下來。
類似這樣的事情極其罕見，原核細胞誕生之后的20億年里只發生過兩次，第一次產生了線粒體，導致了真核細胞的誕生。第二次產生了葉綠體，揭開了大規模光合作用的序幕。
當兩個細菌共生之后都會發生些什么：
-
首先，被吞進去的那個細菌的DNA會大量丟失，其碎片會被隨機地整合進宿主的基因組中。一方面，細菌經常通過這種方式和其他細菌交換DNA，這在生物學術語里被稱為“基因水平轉移”（Horizontal Gene Transfer）。另一方面，這么做可以節約能量。
-
其次，細菌基因碎片的整合過程是隨機發生的，這就導致宿主的基因組被這些小碎片弄得支離破碎，這些小碎片就是曾經讓遺傳學家們百思不得其解的內含子（Intron）。
內含子的存在造成了一個嚴重的后果，那就是當真核基因轉錄成信使RNA時，必須先將內含子片段切除掉，才能送到核糖體（Ribosome，蛋白質的合成機器）中，成為蛋白質合成的模板。這個切除過程需要非常精細的控制，所以速度要比RNA轉錄過程慢很多，一不小心就會把還沒有切好的半成品送到核糖體，合成出來一大堆沒用的蛋白質。所以宿主細胞進化出了細胞核，把信使RNA的剪切過程放在細胞核內進行，和核膜外的核糖體分隔開，真核細胞這個名字就是這么來的。
原核生物的基因組不像真核生物那樣被分成了若干條線狀的染色體，而是一整條圓形的閉環。環上的基因并沒有老老實實地待著不動，而是一直在進行前文所說的“基因水平轉移”，即每個基因都可以自由地在不同細胞之間流動，原核生物就是依靠這個辦法來增加基因多樣性的。
舉個例子：單個大腸桿菌的基因組里只含有大約4000個基因，但整個大腸桿菌群體里含有超過1.8萬個基因，任何一個大腸桿菌都能從這1.8萬個基因庫里任意挑選自己需要的基因，這就大大增加了大腸桿菌的基因多樣性。
真核細胞的細胞核限制了基因的水平自由流動，“基因水平轉移”沒法正常進行。
性細胞在進行減數分裂前，來自父親和母親的配對染色體都要事先發生同源基因重組，雙方隨機交換各自對應的基因片段，然后才能生成性細胞，再去和另一半配對。真核生物的基因組比原核生物大多了，每次只轉一個基因是遠遠不夠的，必須全部交換才行。
這件事意義重大。想象一下這樣的情景：某人進化出了一個特別優秀的基因，能帶來巨大的進化優勢，于是這個基因迅速傳遍了整個族群，所有不攜帶這個基因的人都死了。假如沒有基因重組的話，那么這個優秀基因所在的染色體上的所有基因都跟著沾了光，也會很快傳遍整個族群，其中肯定會混有一些不那么優秀的基因。日積月累，這樣的“搭便車”基因便會越來越多，肯定會對種群不利。
總之，真核生物之所以要有性，主要原因就是為了保持基因組的健康，防止出現搭便車現象。次要原因是為了增加不同基因相互配對的可能性，以此來應付可能出現的惡劣環境。事實上，很多比較原始的真核生物往往會在條件好的時候進行無性生殖，而在條件不太好的時候改為有性生殖，原因就在這里。
最初被古細菌吞進去的那個細菌體內至少有1500個基因，后來很快就都被整合進了宿主的基因組中。這些基因編碼的蛋白質大都是線粒體組裝所必須的，但這個工作已經交給了宿主細胞統一完成，工作效率大大提高。
但是，線粒體內仍然保留了一小段DNA沒有丟掉，這是因為這一小段DNA含有和ATP合成有關的13個重要基因。
線粒體基因組的遺傳方式和核基因組很不一樣，沒法通過基因重組的方式讓基因流動起來。如果兩個性細胞相互結合之后，雙方的線粒體混在一起，其結果就和搭便車沒什么兩樣了。所以真核生物進化出了一種獨特的性行為方式，即在性細胞兩兩結合之后，便把來自某一方的線粒體全部殺死，只讓來自另一方的線粒體單獨存活下去，這就有效地防止了搭便車的現象。
久而久之，真核生物的性細胞便進化出了兩個完全不同的性策略，一方自帶線粒體，另一方完全不做任何貢獻，兩性區分就是這么來的。
生命完全可以做到永不衰老，原核生物就是如此。只要外部條件合適，原核細胞可以永遠地分裂下去，不會衰老，也不會死亡。
值得一提的是，細菌雖然不會衰老，但卻學會了自殺，這是細菌對付噬菌體的一種手段。噬菌體就是細菌的病毒，它們本身不具備繁殖的能力，只能依靠活細菌來復制自己。細菌沒有免疫系統，沒辦法殺死它們，所以一旦某個細菌被噬菌體感染，只能立刻自殺，防止自己成為噬菌體的繁殖場，以此來保護周圍的同類。
**衰老的根本原因就在于核基因組和線粒體基因組的不匹配。**前文說過，這兩套基因組必須配合得天衣無縫才能讓ATP合成順利進行，只要雙方稍微有一點不匹配，ATP生產效率就會直線下降，于是衰老就發生了。但這兩套基因組是相互獨立的，不匹配的現象早晚有一天會發生，所以衰老和死亡是無法避免的，差別只是時間問題。
**生命的意義不是讓自己的身體永不衰老，而是讓自己的基因永遠延續下去。**所以自然選擇根本不關心衰老問題，它只關心繁殖。凡是涉及到繁殖的功能都進化得越來越好，但涉及到衰老時就進化得三心二意，馬馬虎虎。
參考：
https://mp.weixin.qq.com/s/_b5wRtOMwmGi8N5fxgMFEw看破
生命三問（上）：生命是如何進化出來的？
https://mp.weixin.qq.com/s/uPVAlv6SwtYsXOPgIQG8Xg
生命三問（中）：為什么要有性？
https://mp.weixin.qq.com/s/16ZUo4XXHV1GCMbZYiRVJw
生命三問（下）：銀河系里到底有沒有外星人？
https://mp.weixin.qq.com/s/mXUIdAW-u-ftgh-29AwsZQ
醫生，我的線粒體出問題了！別急，它會自己好的
總結
- 上一篇： windows下python 入门准备工
- 下一篇： Machine Learning之Pyt