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[转载]生命起源-能量生产系统功能的限定

已有 1151 次阅读 2021-6-5 07:10 |个人分类:生物起源|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

    我们知道,细胞内同一种“能量可用系统”释放出的能量,可以驱动多种化学反应的发生。例如,储存在“能量可用系统”ATP中的自由能,可以催化以下几种化学反应的发生:

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    对于非生物系中的“能量可用系统”,其驱动的化学反应中,有的可能会促进非生物体系向生物的演变,有的可能会抑制这一过程的演变,也有的可能与这一演变过程毫无关系。这就意味着,如果“能量可用系统”中的能量随机释放、随机应用,那么这些能量驱动非生物体系最终演变成生物的概率,就好比给猴子一台打字机,让它通过随机敲打并最终写出一部《红楼梦》一样。既然生物已经在自然界中出现,说明可演变为生物的非生物体系中的“能量可用系统”,其能量的释放和应用过程不可能是随机的。那么,究竟是什么力量限定了“能量可用系统”中能量的应用范围,以至于这部分能量主要用于驱动生物源起的呢?

    在我们身边,拥有“能量可用系统”和“能量生产系统”的非生物体系的种类非常多,而且现在也可以很容易人为制造,如智能手机、智能机器人、电子手表、汽车等。然而,我们并没有从这些系统中看到它们有演变成生物的迹象。那么,最终可演变成生物的非生物体系究竟还需要具有什么样的特性呢?

    生物细胞内含有多种多样的能量传递单元,例如,

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    这种现象表明,可最终演化为生物的非生物体系中,必然存在种类繁多的能量传递单元。在这些能量传递单元中,不同的能量传递单元之间难免会出现交集。也就是说,几种能量传递单元共享同一种能量供体、能量受体或者能量传递介体。这种被几种能量传递单元共享的物质,我们将其称之为“共享物质”。依据在能流中的角色,“共享物质”可分为以下三种:

    1)共享能量供体。当“共享物质”是能量供体时,我们将其称之为“共享能量供体”,这类物质存在多种不同的能量传递途径。同一种“共享能量供体”在一个体系内可能存在多个拷贝,不同的拷贝可能参与不同的能量传递途径。然而,对于一个特定的“共享能量供体”而言,无论它有多少种能量传递途径可以选择,它只能选择其中一种。这是因为,对于某个特定的“共享能量供体”,当其能量释放时,价键就会发生断裂,此时,产物就已经不再是原来的物质分子,也就不会在原能量传递单元中行使能量供体的作用。

    2)共享能量受体。当“共享物质”是能量受体时,我们将其称之为“共享能量受体”,这类物质可接受来自多条能量传递途径的能量。同一种“共享能量受体”在一个体系内可能存在多个拷贝,且不同的拷贝参与不同的能量传递单元。然而,对于一个特定的“共享能量受体”而言,无论它有多少种能量来源可供选择,它只能选择其中一种。这是因为,对于某个特定的“共享能量受体”而言,当它接受能量并转变成能量相对较高的物质分子时,新生成的物质分子同样不再是原来的物质分子,也就不会在原能量传递单元中行使能量受体的作用。

    3)共享能量传递介体。当“共享物质”是能量传递介体时,我们将其称之为“共享能量传递介体”,这类物质可以介导不同种类的能量供体和能量受体之间的能量传递。对于“共享能量传递介体”而言,无论它可以与多少种能量供体和能量受体组成能量传递单元,对于一个特定的能量传递介体,它所介导的能量流通量是有限的。就像任意一条河流,其河道的宽度和深度决定了该河流传递水的能力,当水流量超过了河道的传递能力时,多余的水只能经其它河道传递。

   “共享物质”在能量传递单元中所表现出来的特征在生物介导的能量传递单元中也同样普遍存在。

    1)共享能量供体:例如,对于羚羊而言,狼和狮子都以其作为能量供体。也就是说,羚羊是狼和狮子的“共享能量供体”。然而,对于一只羚羊而言,它要么被狼吃掉,要么被狮子吃掉,而不可能同时被狼和狮子吃掉。即使是几头狮子共享一只羚羊,被其中一头狮子吃掉的部分也不可能同时被另一头狮子吃掉。

    2)共享能量受体:例如,氧气既是狼的能量受体,又是狮子的能量受体,也就是说,氧气既可以在狼的细胞内接受代谢产生的电子变成水,又可以在狮子的细胞内接受代谢产生的电子变成水。然而,对于一个氧气分子而言,当它在狮子的细胞内变成水后,就不可能再在狼的细胞内行使同样的功能。

    3)共享能量传递介体:对于生活在同一片草原上的兔子、羚羊和狮子而言,兔子和羚羊都可作为狮子的能量供体,因而狮子是兔子和羚羊的共享能量传递介体。一般情况下,当狮子在吃羚羊的时候,不会再同时去吃兔子。

    在生物界存在一个有趣的现象,大多数的生物都可以利用多种能量供体,即可以以多种物质作为食物。然而,每一种生物都有其相对更喜好的食物。当生物作为能量传递介体时,该生物最喜好的食物越充足,它所呈现出来的食物专一性便越显著。例如,大肠杆菌既可以利用葡萄糖作为能量供体,也可以利用乳糖作为能量供体。当培养环境中同时存在葡萄糖和乳糖时,大肠杆菌会优先利用葡萄糖,只有葡萄糖消耗殆尽后,才会以乳糖作为能量供体。当培养板中的葡萄糖含量充足时,对于观察者而言,大肠杆菌所表现出来的现象便是葡萄糖是其专一的能量供体。这说明,共享能量传递介体的共享性的呈现与否与环境中能量供体或能量受体的种类和丰度相关。

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(https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2ODYxMzc3Nw==&mid=2247483918&idx=1&sn=14f8d1ccb8569e315169c5ed8cd054b4&chksm=cea8e9f0f9df60e63f6414ef632b17f3e2483a2187590b61140f522f19daa627644ef11d2fa8&token=1612502510&lang=zh_CN#rd)



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