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可以从能量流的角度回答。能流进化论认为,生命在自然界中的价值是作为能量传递介体驱动自然界中能量分布的相对均衡,自然界不仅需要能量分布的相对均衡,还需要以相对更高效的形式实现能量分布的相对均衡,这边对能量传递介体的能量传递能力有了选择性,能量传递能力相对越强的能量传递介体,也相对越容易得到自然界的青睐,因而,生命是自然界的的非生命态能量传递介体能量传递能力升级的结果,生物体的进化也是如此。生命体在其能量传递能力进化的过程中,还需要从其介导的能流中获取足够的能量以维持其能力,这在一定程度上也限制了生命体进化的随机性。生命的这个特征意味着组成生命体的基本单位——细胞也是一个能量传递介体,细胞也是由一个个酶介导的能量传递单元组成。
为了便于理解,我们先了解一下船只是如何通过三峡大坝的。
三峡大坝上下水位落差113米,上游船只需要通过五级船闸才能到达大坝下游。如下图所示,首先,船只先过第一级闸室,然后关闭下游人字门,通过开合地下阀门,让第一级闸室往第二级闸室内充水,利用连通器原理,使得两级闸室内水位一致。然后,第一级闸室门打开,船只驶入第二闸室,就这样,船只像下楼梯一样一级一级的向下,最终到达下游航道。
那么,对于一个细胞而言,其能量供体里的能量是如何经细胞流向能量受体的呢?我们先看一个生化反应,在磷酸甘油酸激酶的作用下,1,3-二磷酸甘油酸裂解生成甘油酸-3-磷酸,同时,裂解过程中释放出的能量传递至ADP,使其转变成ATP。在这条能流中,1,3-二磷酸甘油酸是能量供体,ADP是能量受体,磷酸甘油酸激酶是能量传递介体。该能流的发生,使得能量相对较高的1,3-二磷酸甘油酸裂解生成能量相对较低的甘油酸-3-磷酸,以及能量相对较低的ADP转变成能量相对较高的ATP。甘油酸-3-磷酸和ATP之间的能势差比1,3-二磷酸甘油酸和ADP之间的能势差要低,也就是说,这一条能流的运行,使得当前环境中的能量分布相对更加的均衡。由此可见,细胞内的生化反应就像三峡大坝里的一道水闸,使得细胞介导的能流在一个特定的区域实现了能势的相对均衡。
作者认为,对于任意一个能量分布不均衡的体系而言,根据能量在体系中各物质分子之间的传递,可将这个体系分解成一个个由能量供体、能量传递介体及能量受体组合而成的基本单元,本书将这种单元称为“能量传递单元”。在《隐藏的动力:生物在自然界中的价值》这一书中,能量传递单元用“能量供体→能量传递介体→能量受体”这一形式表示,箭头表示能量的流动方向。例如,由1,3-二磷酸甘油酸、ADP、磷酸甘油酸激酶三种物质所构成的能量传递单元,记作为“1,3-二磷酸甘油酸→磷酸甘油酸激酶→ADP”。基于上一段的分析,我们可以发现,能量传递单元的功能在于驱动特定物质之间的能量均衡。能流传递单元不止局限于由物质分子构成,也可由生物体构成,例如,由羚羊、狼、狮子和氧气组成的体系中,含有“羚羊→狼→氧气”和“羚羊→狮子→氧气”两种能量传递单元。
综上所述,能量传递单元驱动了物质之间能势差的相对平衡,体现了生物在自然界中能量流动方面的价值。因此,作者认为,由细胞内的物质分子组成的能量传递单元是生物细胞的基本结构和功能单位,一个生态系统内的包含生物体的能量传递单元是生物体所在生态系统的基本单元,它们的价值均体现于能量平衡能力。
基于此,我们可以推断,在一个特定的体系中,物质分子的布朗运动,以及与环境中其它种类分子之间的相互作用,使得含有“共享能量传递介体”的不同能量传递单元之间的比例时刻发生着变化,而且这种变化具有随机性,这便使得特定环境中含有“共享能量传递介体”的能量传递单元具有不稳定性。这一不稳定性进而导致所属体系结构和功能的不稳定。细胞生物学的发展已经表明,生物细胞的结构和功能是相对稳定的,这就说明,一个结构和功能不稳定的非生物体系是不可能演化成生物的。反过来讲,生物的出现说明,“共享能量传递介体”的“共享”特性在生物源起的过程中被逐渐弱化,甚至被功能专一的能量传递介体所取代,结果便是,共享能量传递介体逐渐演变为只对应特定能量供体和能量受体的能量传递介体。
尽管功能专一的能量传递介体使得其所属能量传递单元的结构组成稳定性得到保障,然而,其与能量供体和能量受体组成完整能量传递单元的几率却降低。例如,狼既可以吃羚羊,又可以吃兔子。假设现在在狼群中出现了一匹变异了的狼,该狼只吃兔子且捕获兔子的能力与正常的狼相同。可想而知,变异狼的功能专一性更强,但遇到食物的几率要比正常的狼更低,被饿死的几率也就随之增加,进而表现为能量传递能力降低。该变异狼要想与正常狼具有相似的能量传递能力,唯一的途径便是提升其捕获兔子的能力。当捕获兔子的能力得到提升后,该变异狼被饿死的几率便会降低,进而表现为能量传递能力增强。然而,捕获兔子能力的提升,意味着兔子可能会被更快的吃光,进而以兔子作为唯一食物的变异狼被饿死的几率也随之增加。也就是说,随着时间的推移,变异狼有可能又会表现为能量传递能力降低。为与“专一性”相对应,我们用能量传递效率来表征能量传递能力。那么,当能量传递能力提升后,能量传递介体的能量传递效率增加,即表现为“高效性”。能量传递介体能量传递能力的高效性,增强了所属能量传递单元的能量平衡能力,但随着时间的推移,能量传递单元的结构组成不稳定性也有可能随之增加。
综上所述,能量传递介体的专一性使得其所属能量传递单元的结构组成相对更加稳定,但能量平衡能力减弱;能量传递介体的高效性使得其所属能量传递单元的能量平衡能力增强,但结构组成更加脆弱。能量传递介体的高效性和专一性相互影响、相互制约,二者的统一使得该能量传递介体所属能量传递单元的能量平衡能力得以更好的适应环境的需求,也就有存在下去的可能。这也解释了为什么细胞中的各种催化酶类能量传递介体具有高效、专一的特性。总之,最终在生物的源起过程中保留下来的能量传递介体是高效性和专一性实现统一的、相对更加适合环境要求的能量传递介体。
《隐藏的动力:生物在自然中的价值》(汕头:汕头大学出版社,2020-12,CIP2020268179,ISBN 978-7-5658-4304-4.)是一本基于热力学定律,从生物在自然界能量流动方面价值的角度阐述生命起源与进化问题的书。该书共分为六章,第一章介绍了从能量和价值的角度探讨生命起源与进化问题的缘由;第二章介绍了自然界中能量流动所遵循的基本定律及生物在自然界能量流动中的价值;第三章从生物在自然界能量流动中价值的角度,探讨了生物是如何从非生命态一步步演变为生命态的;第四章从生物在自然界能量流动中价值的角度,探讨了生物的演变缘由、演变方式和演变方向;第五章提出了“能流进化论”学说,借以阐释了“物竞天择,适者生存”现象;最后一章通过实例探讨了能流矛盾论在农业、医学、经济等领域的应用。
《隐藏的动力:生物在自然界中的价值》一书电子稿可从该链接https://blog.sciencenet.cn/blog-3479210-1308965.html免费下载。 |
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