你好,我是王立铭,欢迎来到生命科学50讲。
今天我们要进入构成生命的第三个要素——自我复制。通俗点说,就是繁殖,生孩子,传宗接代。
假如把生命比喻成一栋大厦,物质就像是砖头瓦块,能量就像是建筑工人。那么,是不是有了物质和能量,就可以开工制造生命了呢?
理论上是的。我们可以猜想,也许远古地球上最开始形成的第一批生命就是这样的,甚至在我们身边,这样的生命也存在出现的可能。
但是,这种物质+能量构成的生命有个巨大的缺陷,那就是它们没有办法传续自己的生命。可能几秒钟、几分钟、几个小时就死亡消失了。
所以,今天我们能够在这里讨论生命,一个很重要的前提是:生命具备自我复制的能力,能够代代相传,直到有了今天的你和我。
你可能会继续问,为啥生命这座大厦就不能建造得坚固点?生命只要不死,岂不就不需要繁殖了吗?
有一部法国科幻电影叫《无姓之人》,里面就假想出有一天人类掌握了永生技术,随之而来的是丧失了性欲和繁殖能力,同一批人就这么一直活下去。
《无姓之人》剧照
能够永葆青春的生命,还真的不是只在科幻电影里才有。在现实世界里,生物学家真的找到了疑似不会衰老的物种。
一类叫做水螅的动物就是如此,他们的身体可以不断地自我更新和修复。在实验室环境里,生物学家还没有发现它们会随着寿命增加而衰老。这就有意思了,是不是永生的生物就不需要繁殖了呢?
出芽生殖时期的水螅
我要告诉你一个可能反常识的答案,不是的。
对于生命来说,繁殖,也就是自我复制,比永生更重要。这节课我就来告诉你这是为什么。

地球生命存在两个缺陷

这个问题的答案,可以用一句话来概括:生命大厦再坚固,也经不住地球母亲的翻脸无情。
这是什么意思呢?从理论上说,有足够的原材料和持续的能量输入,在原始地球的环境中出现生命可能并不困难。但是这样的生命形态会有两个非常重大的缺陷。
第一个缺陷,就是抵抗意外的能力非常弱。
就像一个真正的大厦,万一来场地震或者火灾,把它毁了怎么办?大厦地下被蚂蚁啃松了,或者来一场台风,把大厦的顶层卷走了怎么办?
当然,你可能会说这些都是非常小概率的事件。但是别忘了,任何小概率的事件,乘以三四十亿年的时间,出现的概率可能就高到几乎是必然会发生了。
换句话说,如果能量驱动真的构造过可以永生的生命大厦,而且它还真的在远古地球出现过,而我们今天之所以见不到它们的原因,一定是因为已经毁于意外事故了。
这个缺陷还不是最严重的。
第二个,也是最致命的缺陷是,地球环境不是永恒不变的。
当然,我们每个人在区区几十年的生命里,还是可以安心生活的,因为在这么短的时间里,地球环境应该不至于出现特别剧烈的变化。
但是,如果把时间尺度放大一点,放大到生命演化的尺度,我们就能发现,地球环境的变化,远比沧海桑田更加剧烈。
举一个例子,大气中的氧气。
人类和大多数生命的生存都需要氧气,最重要的原因是能量货币ATP的产生过程严重依赖氧气。之前的课程中我们讲过:
1个葡萄糖分子,分解成2个乳酸分子,或者2个酒精分子,只能产生2个ATP;而如果葡萄糖彻底分解成二氧化碳和水,就有可能产生28-38个ATP,与此同时,葡萄糖彻底分解是需要氧气分子参与的。
这就是为什么对今天的地球生命、今天的人类来说,大气层中的氧气非常重要。
而实际上,人体对氧气含量的适应区间是非常狭窄的。
在海拔四五千米的青藏高原,氧气浓度会下降到10%多一点,只有正常水平的一半,这时候人体就会出现缺氧的症状;相反,如果呼吸的氧气浓度过大,人体也会出现所谓的“氧中毒”,结果就是神经系统、肺和眼球都会受到严重的损伤。
如果我们回看地球自然历史,就会意识到一个事实:今天大气层的氧气,含量绝对不是专门给人类准备好的。
在地球历史上,大气层中氧气的含量最高曾经达到过百分之三十几。
这个还不是最极端的情况。实际上在二十多亿年之前,大气层中根本没有氧气。当时地球生命基本都是所谓的厌氧生物,它们可以在没有氧气的环境里生活。
地球历史上大气中氧气含量变化
就在那个时候,地球发生了一次非常重大的环境变化,也就是所谓的大氧化事件,大量出现的氧气导致了生物大灭绝。
因为对于当时绝大多数地球生命来说,氧气不光不能支持生命,反而是有毒的。而在大氧化事件之后,逐渐演化出来的生物,才开始学着利用氧气,才能在氧气中安全地生活。
所以,就以氧气为例,假设在大氧化事件之前,就算依靠生物材料和能量输入,生物大厦已经被构建出来了,那么这座大厦也完全没办法在灾难性的大氧化事件中存活下来,我们今天仍然不可能见到它的身影。
而氧气仅仅是一个例子,实际上在几十亿年的地球生命史中,几乎所有环境指标都发生过剧烈的变化。
温度、气压、太阳光强度、大气组成、土壤的化学成分、水的成分、食物、天敌等等。而这些环境变化,也曾经至少五次大规模地扫荡了地球生物圈。

不精确的自我复制让生命延续

既然生命抵抗意外的能力很弱,地球环境又不断变化,那么,一个显而易见的悖论出现了。
诞生于远古地球的祖先们,那些由能量这个天才建筑师建立的生命大厦,到底是怎样一直活到今天,而且还逃开了各种意外事故和难以抗拒的环境巨变的呢?
这个问题的答案就是,自我复制。因为,自我复制能弥补生命形式的两个“缺陷”。
第一个缺陷,抵抗意外的能力弱。这个比较容易理解,因为自我复制能不停地制造出越来越多的子孙后代。这样,即便其中一些个体因为意外事故死去,还能保证有足够的个体存活下来,延续香火。
对于生命的第二个“缺陷”,自我复制怎么帮助生命适应变化多端的地球环境呢?它的方法就是不够精确的自我复制。
其中的巧妙之处在于,每个生命个体的后代,都或多或少和他们的父母有些差别。这种差别大多数时候难以察觉,像是生命大厦悄悄更换了天井的绿植或是大堂的灯饰,有些时候也可以惊天动地,比如把整座大厦的楼高或者主干结构更换一新。
但是无论如何,自我复制过程中发生的变化,总是比地球环境的变化快,后者的尺度动辄以千万年计数。也正因为这样,地球上的生命来了又走,样貌也千变万化。
科学家们估计,在这颗星球上,可能已经有超过50亿个物种诞生过,而今天地球上仅存的可能只有其中的百分之一。物种们诞生、繁盛、变化、死亡,用这种方式,它们才能在地球上顽强地走过40亿年的漫漫长路。
我要强调一句,自我复制中出现的变化,本身没有什么对错,也没有什么方向性可言。不够精确的自我复制,其实是提供了大量在地球环境中“试错”的生物样品。
谁能活下来,谁能继续完成自我复制的新一轮循环,谁就是胜利者。是地球环境的缓慢变迁,决定了不同时刻的胜利者,也因此最终塑造了生物演化的路径。
自我复制的两个特点虽然看起来自相矛盾,但这恰恰保证了地球生命的永续。
对自身的不断复制保证了生命不会因一场意外而突然毁灭,而自我复制过程中出现的错误,则帮助生命适应了地球环境的变化。
现在你应该理解了,为什么自我复制比永生更重要吧。即使像水螅这样,几乎逃避了衰老和死亡的生物,它仍然需要自我复制,仍然要面临进化的竞争和意外的侵袭,需要想办法持续适应多变的地球环境。
地球并不是一位溺爱子女的母亲,她用冷酷残忍的手段训练着自己的孩子学会独立生存,而自我复制就是孩子们找到的最佳生存方案。
从物种的长期生存来看,繁殖的意义远远大于永生。
说到这儿,我们应该反过来理解一开始的问题。并不是说生命就必须自我复制,而是只有那些具备自我复制能力的生命,而且还是那种不太精确的自我复制能力的生命,才真的有可能逃脱自然历史上的意外和环境变迁,生存到今天,被你我看见。
这节课我们说到了自我复制,知道了它对于生命有多重要,那么,自我复制又是怎么发生的呢?下一讲,我们将进入基因的神秘世界。