2020年5月6日 星期三

生命之源 尼克.連恩Nick Lane


1.薛丁格認為,根據熱力學第二定律,宇宙萬物皆傾向退化,也就是增加熵(失序狀態)。然而生命卻因為某種原因,可以抵抗這種傾向;生命這種迴避熵的能力,來自基因。(於1944,早於華生、克里克)

2.從某觀點來看,動物、植物跟病毒之間的異同,不過就是受惠於環境多少而已。

3.很顯然地,在「活性的」與「沒有生命」之間,是一段連續的光譜,硬要去畫出一條界線,其實沒有意義。環境從本質來講,是自外於生命的;然而我們看到,事實上根本不是這樣。環境與生命,永遠是攜手並進的

4.普利昂蛋白,就是本來完全正常的蛋白質,經過重新折疊之後,變成半晶質的構造;這個構造又可以做為模版,繼續去折疊其他正常的普利昂蛋白,而整體的熵幾乎一樣。一個蛋白質可能會有好幾種折疊法,都處於穩定狀態,但其中只有一種對細胞來說有用;可是從熵的角度來看,這幾種折法幾乎沒有差異。

5.瑞典戰艦瓦薩號在1628年處女航就在斯德哥爾摩外海沈沒了,1961被打撈起來。在船沈沒後,隨著斯德哥爾摩城市的擴張,所有排出的污水都被傾倒在海床上,結果反而完美的把船保留了下來。這艘船可以說是被保存在糞堆中,污物產生的硫化氫將氧氣隔絕在外。一旦船被打撈起來,我們現在反而必須用盡全力去保持它的完整。

6.我們持續利用氧氣燃燒食物,排熱到環境中,這些損失的熱量並非浪費,它們是維持生命所必需。喪失的熱量愈多,生物才愈可能變得複雜。

7.我們一天要用掉60~100公斤的ATP分子,這大約跟我們的體重差不多重了。但是事實上我們全身大概只有60克ATP,因此可以計算出,每個ATP,大約每一分鐘就會被「重新充電」一到兩次。

8.為何所有的活細胞,都利用氧化還原反應來產生自由能?以及其次為何所有細胞,都利用在膜的兩側產生質子梯度,來保存這些自由能?

9.碳元素可形成4個強力化學鍵,比矽元素所形成的鍵結來說要強得多。這種鍵結,讓碳原子可以連接出超乎想像變化多端的長鏈分子。尤有甚者,大氣中並沒有氣態的二氧化矽,可以與二氧化碳相匹配。除了好用之外,在宇宙中碳元素的含量也比其他元素要豐富。

10.生命控制了這些化學動力障礙,藉此讓熵增加的速度,快過其他方式。有人甚至因此將生命定義為:熵製造機

11.許許多多的電子供應者與接受者,都可溶於水,性質也很穩定,同時不需大費周章就可以自由進出細胞。這些性質代表了那些「滿足熱力學所需」的反應環境。這種特性讓氧化還原反應,比起熱能、機械能、紫外線或閃電等能量,要更適合作為可被生物利用的能量流。

12.脂質分子的結構有親水性的頭部(甘油),以及兩到三條疏水性的尾巴(在細菌跟真核生物是脂肪酸,在古菌則是異戊二烯)

13.從能量的觀點來講,酵素的威力並不在於它們可以加速反應多少,而是它們可以引導反應,將輸出最大化。

14.表面積與體積的比例問題,限制了細胞的大小,這只是很單純的反應物供給,與廢棄物移除的問題。

15.透過熱泳(thermophoresis)的過程,可濃縮這些分子的濃度到原本的數千甚至數百萬倍。

16.三階段。一:鹼性熱液微孔結構中形成的質子梯度,被帶著硫化鐵礦物質的薄壁分開,這種環境有利於簡單有機分子合成。二:在鹼性熱液微孔結構中形成簡單而有機的原始細胞。根據有機的分子之間的交互作用,形成這種簡單而脆弱的細胞狀耗散結構,應該是必然的趨勢。三:基因密碼的起源。

17.四十億年前,海洋可能呈弱酸性(pH5-7),而鹼性熱液和今天一樣,大概是pH7-9。這樣酸鹼差異讓pH橫跨3~5個單位,也就是說兩側質子濃度可能差到十萬倍。

18.完全不透的「現代化」細胞膜,將會摧毀露卡賴以為生的質子梯度。不過,後來出現了反向運輸蛋白。這種蛋白質可以將天然的質子梯度,轉換成生化的鈉離子梯度,這樣可以提供額外的能量,讓細菌可以在質子梯度低一點的地方生存,這樣一來細菌就有辦法擴散。

19.移除發酵作用產生的廢物最快且最可靠的辦法,就是呼吸作用燒掉它們。這樣子終極產物就會是CO2,可以輕易釋放到大氣裡,或是變成碳酸鹽形成在岩石中。因此,發酵作用幾乎完全依賴呼吸作用才行得通(所以必是在呼吸作用後才演化出來)

20.平均起來,真核生物的每個基因,可以分配到比原核生物多五千倍的能量。即真核生物可以花比細菌多五千倍的ATP分子,去表現每個基因,或製造更多蛋白質拷貝。


21.最大型細菌,嗜硫珠菌(Thiomargarita)尺寸約1mm的球菌。刺骨魚菌(Epulopiscium)尺寸約0.5mm,比草履蟲都還要長。它們都是「極度多倍體」,刺骨魚菌體內有20萬份基因體拷貝,嗜硫珠菌體內也有一萬八千份基因體。

22.細菌基因體大小,都會慢慢趨向一個「最小可用尺寸」;而對單一細菌而言,它仍可以隨意從一個大得多的「原基因體」裡獲得基因。一隻大腸桿菌大概有四千個基因,但是全部大腸桿菌的原基因體,大約有一萬八千個基因。兩隻之間可能有50%基因是不同的。

23.如果線粒體電力失控,會造成電子短路,也就是電子會逃跑,直接去跟氧氣或是氮氣分子反應,形成所謂的自由基。「ATP數量減少」、「生物能量膜去極化」、「釋出自由基」三件事,是啟動計畫性細胞死亡最常見的原因。

24.Intron和病毒不一樣,它必需和宿主同生共死(它類似因突變死亡的DNA寄生蟲)。科學家估計人類基因體內有98%是非編碼DNA,即Intron而無功能DNA約佔80%,有些還是有調節基因表現,或做出rRNA的功能

25.異種同源基因,就是不同種生物之間的相同基因;而同種同源基因,則是同一個生物體內的基因家族。同源同種基因的家族,也可能從某個共組身上傳下來,然後出現在許多不同種的生物體內。

26.緩慢的剪接過程,一定要在核糖體有機會碰到RNA之前,就在細胞核內完全處理完。這就是細胞核最重要的功能:把核糖體檔在外面。這就是原核生物不需要細胞核的原因,因為原核生物根本沒有Intron的問題。

27.核膜向一個個壓扁的塑膠袋,它是一堆壓扁的小泡年和在一起。

28.一個帶有2個突變的配子,可能適應不良就被天擇淘汰。反過來說如果是有益的突變,有性生殖可以把它們集中到同一配子上。簡言之,天擇可以增加配子之間的變異性,讓每個突變都有機會被看到。

29.男人的Y染色體因為無法進行基因重組,因此上面的基因就會漸漸退化,到最後只剩下幾個關鍵的基因,被天擇保存下來。如果再退化下去整條染色體都可能會消失。高加索鼴形田鼠(Ellobius lutescens)就已經完全遺失牠們的Y染色體。

30.要降低成體組織變異性最簡單的辦法,就是從一開始就讓卵子裡面有比較多的線粒體。

31.在心靈之眼裡,各訊號組成馬賽克神經訊號。馬賽克拼貼化之所以會撩撥我們的情感,一部份原因正是因為它從碎片拼湊出真實影像的方式,跟我們的意識一樣。

32.自由基分子的功能,有點像是火災煙霧,光是移除煙霧,並沒有解決根本問題

33.基因體配合不良的話,呼吸作用中的電子流,會造成三種變化:1.直接減緩電子傳遞的速度,如此同時ATP的合成也會跟著降低。2.產生高度還原的鐵硫簇分子(Fe2+)跟氧氣直接反應,生出一堆自由基分子。3.線粒體膜電位崩解。

34. Cytochrome C 是一個非常重要的蛋白質,因為呼吸鏈裡的電子必需天跳到它,再跳到IV上。一旦cyro C跑掉,電子就再也無法達到呼吸鏈的終點。沒有電子流,膜電位也會很快崩解。

35.雜種衰退:指的是不同「種」的生物,雜交所產生的後代,出現生殖缺陷與存活率降低的現象,這是因為線粒體與細胞核基因的不相容性。必定出現在後代異種合子體上(XY)。

36.在人類Y染色體上,主宰男性發育的基因叫做SRY基因,它會啟動許多生長因子,因而加速生長速率。這些生長因子本身並不專屬於特定性別,它們在男女體內都有活性,只不過在男性體內活性較高而已。如果出現因個突變讓這些因子活性增高,那原本沒有Y染色體的雌性胚胎就會性轉而發育成雄性;反過來說降低活性的突變,則會讓雄性的被子發育為雌性。

37.許多跳躍基因,也都偶爾掌握了發育的控制權,調整生長速率來控制性別發育。這也是為什麼男生並不需要怕Y染色體退化的原因之一,因為它的功能,多半會被其他因素取代;或是在其他染色體上的某個基因,也有可以設定雄性發育所需要的快速代謝速率

38.線粒體有任何遺傳缺陷,它們絕大部分都會赤裸裸地,顯露在代謝需求高的性別上面,也就是雄性。許多線粒體疾病男性比女性常見:LHON男5倍,巴金森男2倍。

39.細胞質雄性不孕症,可能只是代謝速率的問題。開花植物大多雌雄同株,病株變成只有雌株(跟不孕的雄株)。

40.鳥類線粒體基因的改變速率,低於大部分哺乳類動物(除了蝙蝠,因為蝙蝠跟鳥是一樣的問題)。不會非的鳥類,因為沒有受到一樣的限制,基因改變的速率就大多了。這是因為牠們線粒體基因序列,早就是適合飛翔的最完美狀態了,若冒出突變,往往不易被接受,所以被天擇剔除。

41.從這個角度來看,可以解釋鳥類必需經常遷移,而非停在一處忍受季節變化,可能因為它們的線粒體比較適合飛行消耗,而不適合應付留下來所要面對的環境變化。反過來說大鼠的線粒體差異就很大。

42.細胞凋亡低門檻(如鳥類):自由基外漏少、高有氧能力,線粒體疾病率低、環境改變適應性低、生育率低、老化速度慢、不易有老化相關疾病(例如鳥類都沒有癌症、糖尿病)

43.服用高劑量抗氧化劑,會有相當肯定的壞處,你可能反而會比較短命。因為使用抗氧化劑阻止自由基訊號時,會抑制ATP生成,因而有害。自由基訊號可以增加呼吸複合體的數量,連帶增加線粒體的呼吸能力,進而讓呼吸作用最適化。

44.因此抗氧化劑雖然降低自由基滲漏,但同時也減少了線粒體DNA的數量,當然,也減少最重要的ATP合成速率。

45.運動:自由基滲漏的水平其實維持一樣,甚至還會更低!這是因為呼吸鏈中的電子流動速度加快,所以呼吸複合體的還原態降低,電子也就比較不容易直接跟氧氣反應。

46.慢性發炎跟生長因子失調,會去刺激到旁邊易生長的細胞,如幹細胞、血管細胞,這些細胞被刺激後,若是運氣不好就會發展成癌症。

47.「卡路里限制」跟「低碳水化合物飲食」。它們會帶來生理壓力反應(就像促氧化劑一樣),這樣會清掃掉有缺陷的細胞跟不好的線粒體,在短期之內可以提高存活率。不過一般來說,代價是降低生育力。






心得
20200507
前面看過2本尼克連恩教授的著作,有了基礎來看這本就蠻順暢的。基本我是贊同他的觀點,即生命與環境必需整體看,無法分割;另外就是生命與能量的關係,生命就是控制能量的機器,或是內文有提到的,生命是熵製造機(因為生命體內必需維持有序,所以必然要能比自然化學更會製造熵)。題外話:以此看來像駭客任務那樣,人類拿來做電池是不可能的了!

這是生命存在的方式,或是目的?
如果這是生命存在的方式,那生命的目的是為何?
如果這是生命存在的目的,就是製造熵,那為何生命要比自然要更有效率的製造熵呢?在宇宙中的製造熵的目的為何?
抵抗宇宙收縮?抵抗黑洞?就是為了自由?
在參透這些問題之前,生命大概只能歸類於沒有意義吧,亦即回歸哲學上的問題:問生命的意義,即是問你認為哪種生活是你希望的幸福的生活?

走遍全宇宙(除了黑洞),大概只有熱力學是無爭議,屹立不搖的,真感謝闡述整理熱力學的學者。

第三本關於生命從何來的著作,我已經可以當複習看了。在第一本生命的躍升我大概就對我們從哪裡來,我們要去哪裡有概念了,之後應該要強化「我在哪裡,我是誰,我要做什麼」

20200514
線粒體的基因,思考過應該的確如連恩教授所說一樣,無法完全整併進細胞核內。原因是除了人類之外,不僅哺乳類,連扁蟲等的其他物種,古老且線粒體突變較大的物種,至今也是保留一些線粒體基因,可視作證據。

20200516
這本書又更新我許多觀念,這本書也跟他的前前作「粒線體」許多解釋是不同的,作者果然有進步。如為何植物病株為何為純雌,前作解釋是線粒體想逃出雄株,故會讓雄株弱化不孕,本文以耗能速率解釋合理多了;另外為何限制熱量為何與壽命有關,本作也有說明,因為會帶來生理壓力,強迫淘汰有缺陷的粒線體,難怪只有年輕人有用,這也是前作有提到,但是沒有說明的。甚至也可說明為何鳥類死亡,通常都是飛行中直接墜地。
有氧能力、生育力、壽命三者在本作有好的聯結,算是有回答到我很久以前的問題,我認為理論上的終極生物是不會生育,不會死亡,不過當時我的想法是與大天擇有關,沒有想到這麼細的原因。用作者的能量理論解釋是比較合理的。
對於生物個體終會死亡也有了說明,我認為比前作更合理,因為環境、生命、甚至每個化學原子都是不同、會變的,會變註定會消耗,消耗註定殆盡。本次生命以人類的方式作為一個生物存在宇宙中,我感謝在我之前的上百億人,讓我有高機率以人類出現,也謝謝20萬年來的祖先的進化,讓人類這種生物以哺乳類來說已是長壽,能夠匹敵鳥類。人類有唐氏症、有癌症、有糖尿病存在,也屬必然,畢竟這是哺乳類所選擇的道路。

如果連恩教授有新的著作,也會繼續閱讀的。

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