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[转载]生物进化——能量供体的演变对生物进化的影响(1)

已有 1214 次阅读 2021-6-5 07:56 |个人分类:生物进化|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

    有些生物,如蓝藻、硝化细菌等,能够利用热能、光能或化学能等将无机物转化成自身需要的糖类等有机物,这类生物称之为自养型生物。按照前文所述,能量供体的演变过程是,从最初的单纯的仅为生物提供能量的能量供体逐渐演变为既可提供能量又可提供生物自身构建所需物质的能量供体,可推知,自养型生物应该是地球上最早出现的生物。 

    作者认为,自养型生物在增殖过程中,由于一些原因,如所在环境中缺乏自养过程必需的某种物质,致使其自养过程不再是一个完整的过程,也就失去了将热能、光能或化学能等作为能量供体的能力。作者将这类生物称之为“自养缺陷型”生物。该缺陷性致使此类生物在原能量供体的存在下难以维持正常的能量传递能力,也就面临着被自然界淘汰的风险。这类生物需要通过利用其它生物的降解产物或者代谢产物来弥补自身的缺陷。也就是说,这类生物需要依赖其它种类的生物才能存活。正如一个丧失劳动能力的乞丐,自身难以获取足够的能量供体维持自身的生存,但他可通过乞讨等方式获取维持自身能量传递能力所需要的能量供体。对于“自养缺陷型”生物而言,其演变方向主要为以下两种:

(1)向“自养-代谢双缺陷型”方向转变

    如果“自养缺陷型”生物所在环境不止令生物的自养功能难以维持,而且其代谢功能也无法正常运行,这种情况下,有的生物为了尽可能的减少自身能耗,舍弃了自身组成中与“自养”和“代谢”两个过程相关的大量物质,只保留储存自身遗传信息的遗传物质,有的可能还会保留一些用以保护自身遗传物质的物质,以备“东山再起”。当这类生物遇到正常的生物后,自身遗传物质会借助正常生物组装出新的生物。这类生物称之为“自养-代谢双缺陷型”生物。假设正常生物需要从能量供体中获取总量为“E”的能量来维持自身的能量传递能力(图1)。当“自养-代谢双缺陷型”生物侵入正常生物后,它们会与正常生物展开对物质和能量的竞争。假设在竞争过程中,正常生物(寄主)获取的能量为“E1”,“自养-代谢双缺陷型”生物获取的能量为“E2”。当“E1”略小于“E”且远大于“E2”时,“自养-代谢双缺陷型”生物要么寄生在正常生物内,二者共存,要么被寄主抑制,甚至消灭掉(如抗性作物与病原菌之间的关系)。当“E1”远小于“E”和“E2”时,寄主获取的能量不足以维持自身的结构和功能,其能量传递能力就会降低,甚至丧失。“自养-代谢双缺陷型”生物也就是我们现在所说的病毒,需要依靠寄主才能维持其结构和功能的稳定性,进而维持其能量传递能力。总之,“自养-代谢双缺陷型”生物与寄主之间是一种既“合作”又“竞争”的关系,“合作”体现在二者均参与了寄主能量供体中能量的传递,“竞争”体现在二者对流经生物的能量的获取,当“合作”强于“竞争”时,二者共存,当“竞争”强于“合作”时,二者存一。

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图1“自养-代谢双缺陷型”生命体的出现

    为了便于理解,我们可以把“自养型”生物、“自养缺陷型”生物和“自养-代谢双缺陷型”生物看作是一个传统的三口之家(注:此例仅为了便于理解,绝无性别和身份歧视之意),“收入”是这个家庭的“能量供体”。“自养型”生物就像是一个家庭的“父亲”,既要获取“能量供体”,又要维持自身的“支出”。“自养缺陷型”生物就像是一个家庭的“母亲”,通过“父亲”获取的“收入”维持自身的“支出”,自己不需要主动去获取“收入”。“自养-代谢双缺陷型”生物就像是一个家庭的“孩子”,既需要依靠“父亲”或“母亲”帮其获取“收入”,又需要“父亲”或“母亲”帮其“支出”(如购买零食、玩具、衣服等)。对于父亲和母亲之间的关系,当父亲一个人的收入在满足自身支出后还有充足的结余时,那么父亲和母亲都会过得很好;如果结余不多,那么父亲和母亲的生活将会受到影响。对于父母和孩子之间的关系,当父母的收入在满足自身支出后还有充足的结余时,那么孩子也会过得很好;如果结余不多,那么孩子的生活将会受到影响。

(2)向“异养型”方向转变

    有的“自养缺陷型”生物可能会通过利用其它生物的降解产物或代谢产物完成自我构建,这类生物称之为“异养型”生物。如果“自养缺陷型”生物所在环境中有足够的可以用于完成自我构建的物质,那么,有的生物可能会遗失自养过程所需要的物质分子,或由这些物质分子组成的系统,逐渐演变为彻底的“异养型”生物。对于这类生物而言,自养途径的失去,一方面减少了自养系统维护所需要的能耗,另一方面可以有更多的能量用于改进自身在其它功能上的结构组成,进而提升能量传递能力,包括运动能力、对能量供体的获取能力以及对能量供体中的能量进行释放和传递的能力等。

    “异养型”生物在以化学物质作为能量供体的过程中,有的逐渐拥有了利用生物作为能量供体的能力。生物作为能量供体的优势在于,不止含有更多的可以作为能量供体的有机物,还含有可以被直接用来作为自身构建的物质分子。从生物的角度看,“自养缺陷型”生物若要增强自身的能量传递能力,就需要获取更多的能量,也就需要获取更多量的有机物,甚至更多种类的有机物。要实现这个要求,最有效的措施便是以现成的生物作为能量供体。有读者可能认为生物的降解产物才能算能量供体,生物自身不能算。为了便于理解,这里对能量供体的界定再次说明一下,对于生物而言,能量供体和能量受体是独立于生物之外的物质。因此,当一种生物是另外一种生物的食物时,被食用的生物便是食用者的能量供体,而被食用生物在食用者体内的降解产物(非细胞内代谢,如在牙齿的咀嚼产物、胃液的消化产物等)则是食用者细胞的能量供体。

(https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2ODYxMzc3Nw==&mid=2247484010&idx=1&sn=77d9bdab78dbe7580c2cadd46293bfbd&chksm=cea8e994f9df60828a9b9c312a167240533ea71d25ca2a03dc20fe591c28b9d8480b9006f5f7&token=1612502510&lang=zh_CN#rd)



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