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“能量生产系统”在所有细胞生物内普遍存在,可见其对生物的重要性。例如,由糖酵解途径和糖异生途径组成的“能量生产系统”(图1)。在糖酵解途径中,高能化合物葡萄糖经一系列的氧化分解过程,最终生成能量相对较低的丙酮酸,同时将价键断裂释放出的能量储存于ATP、NADH等“能量可用系统”中。在糖异生途径中,丙酮酸经一系列的酶促反应,利用储存在ATP、GTP等“能量可用系统”中的能量转变成葡萄糖。
图1 向下的箭头表示糖酵解途径中的化学反应,向上的箭头表示糖异生途径中的化学反应,绿色箭头表示只在糖酵解途径中的化学反应,棕黄色箭头表示只在糖异生途径中的化学反应,黑色箭头表示两个途径都有的化学反应,属于可逆反应。
当细胞所在环境中的葡萄糖含量充足时,即环境中的能量高于体系(细胞)中的能量,细胞中的糖酵解途径被激活,整个过程可用下式表示(红色标记的化学物质属于“能量可用系统”):
如果细胞所在环境中的葡萄糖含量匮乏,即环境中的能量低于体系(细胞)中的能量,丙酮酸会经糖异生途径重新合成葡萄糖。这个过程可用下式表示(红色标记的化学物质属于“能量可用系统”):
同理,脂肪酸的合成代谢和分解代谢、氨基酸的合成代谢和分解代谢、核苷酸的合成代谢和分解代谢等组合而成的系统,均属于“能量生产系统”。这类“能量生产系统”的合成反应部分可以仅靠体系自身的“能量可用系统”得以实现。
除此之外,还有一类“能量生产系统”,它们需要外界能量的参与才可以正常运行。例如,在光合自养型生物中普遍存在的,由光合作用和呼吸作用指绿色植物利用叶绿素等光合色素或者某些细菌(如带紫膜的嗜盐古菌)利用其细胞本身,在可见光的照射下,将二氧化碳和水(细菌为硫化氢和水)转化为葡萄糖等有机物,并释放出氧气(细菌释放氢气)的生化过程。在这个过程中,光能被转换成化学能储存在葡萄糖等有机物中。呼吸作用则是指细胞中的葡萄糖等有机物,经过一系列的氧化分解反应,变成二氧化碳和水,同时释放出能量,以维持生物生物活动需要的生化反应过程。在这个过程中,葡萄糖等有机物裂解释放出的能量,一部分以热能的形式释放出来,一部分被储存在ATP、NADH等“能量可用系统”中。
综上所述,“能量生产系统”的出现,既驱动了体系自身能量的流动,又驱动了体系与周边环境之间的能量流动;既维持了体系自身的能量水平,又实现了体系与环境之间能量分布的相对均衡;既是“能量可用系统”功能稳定性的保障,又是非生物体系演变成生物的必要因素。发生在一个功能细胞内部的化学反应种类繁多,由此推知,拥有“能量生产系统”数量和种类越多的非生物体系,其物质水平和能量水平就越稳定,功能也就越容易得到保障,也就越有可能演变成生物。因此,拥有“能量生产系统”并实现其与“能量可用系统”的统一,被认为是非生物体系向生物演变进程中的第二个阶段。
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