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既生瑜,何生亮

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-08-09 / 阅读时长 6 分钟
专栏 首发 白书农

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一般我们看到标题的表述,第一反应是:周瑜和诸葛亮都是我们喜欢的聪明人,为他们恰好生在同一时代又各为其主而不得不相爱相杀感到可惜。其实,这个世界上总有一些事不因人类的想象或者愿望出现或者不出现。比如,在30多亿年前出现了细胞,生命系统因此而有了一个物理边界,而变成一种全新的实体在地球存在至今。甚至因为其中的光合自养型细胞(如蓝藻)的出现,而改变了地球大气中的氧气含量。如果一直如此,大概也就不会有人类的出现了——因为人类是一种由真核细胞(图1)[1] 构成的多细胞生物。既然真核细胞出现之前,细胞化生命系统(即原核细胞(图2)[2])已经可以稳定地存在,为什么还会出现真核细胞呢?此即标题“既生瑜,何生亮”之谓。

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 图1. 真核细胞模式图。A. 动物细胞,B. 植物细胞

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 图2. 细菌(原核细胞之一类)的结构。A. 猪丹毒杆菌(Erysipelothrix rhusiopathiae)(G+)的电镜照片(丁明孝提供);B. 细菌的模式图

有关真核细胞起源机制迄今并无定论。目前该研究领域中最有影响力的学说是Lynn Margulis在1967年提出的“内共生假说(endosymbiosis)”,该假说认为真核细胞中的线粒体、叶绿体源自被寄主细胞吞噬的其他细胞(当然都是原核细胞)。这一假说直到1978年经基因序列分析证明线粒体DNA与原核生物类似才被人们认可。Margulis也因此名声大噪。

可是,内共生假说尽管可以说明线粒体、叶绿体之类细胞器的起源,却无法解释细胞核、内膜系统(如内质网)和细胞骨架[3] 的起源。近年来,因为古菌[4] 研究的进展,大家已经意识到,尽管真核细胞的起源机制远不像Margulis的“内共生假说”所描述的那么简单,还需要更加广泛深入的研究,甚至可能未必真正搞得明白(毕竟真正的祖先细胞及其演化过程可能已无迹可寻),真核细胞应该是20多亿年前不同类型原核细胞之间整合的产物。

考虑到达尔文演化理论中的“生命之树”看上去是不断分叉的,有人认为如果真核细胞真的是因“整合”而成,是不是与达尔文演化理论中基本规律不相吻合了呢[5] ?该领域的专家W. F. Doolittle认为,真核细胞起源应该也是整个生命系统演化过程中的一个事件,应该服从生命演化的基本规律[6] 。可是,这种“基本规律”是什么呢?

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我们在前面对“整合子生命观”的介绍中,曾经提出“细胞”是被网络组分包被的生命大分子网络。由于以生命大分子网络为主体的生命系统具有“正反馈自组织”的基本属性,细胞这个被网络组分包被的生命大分子网络的“动态网络单元”不得不在“正反馈自组织”属性的驱动下发生细胞生长和细胞分裂。在这个框架下,如果不同类型的原核细胞在某些机缘巧合之下整合成新的“网络”,而这种网络恰好又具有更高的“正反馈”效率,可以在维持自身运行的同时,产生富余的生命大分子,这时会出现什么情况?

在《剪不断、理不乱》一文中,我们提到生命大分子网络有两种基本存在形式:一种是生命大分子合成和降解的动态网络(即代谢网络),一种是生命大分子复合体形成和解体的动态网络(即细胞内各种结构)。在细胞中,这两种网络应该协同运行。否则细胞这种“动态网络单元”难以为继。如果这种假设是对的,那么当生命大分子合成和降解的代谢网络发生改变(具体发生哪些改变,如何发生的问题涉及太多生物学专业问题,我们在这里就不具体讨论。大家姑且相信这类改变的确存在),产生出的富余生命大分子该如何处置?

从整合子生命观的角度看,可能的结果之一,就是这些富余的生命大分子之间发生新的互作、形成新的复合体。比如组蛋白(在细菌中没有这种蛋白而在古菌中有)的出现可以导致染色体的出现、更多的微管蛋白可以聚合成为细胞骨架、更多的rRNA和其他蛋白聚合成为核仁、更多的磷脂和一些已知可以导致膜折叠的蛋白聚合形成内膜系统等等。这些经自组织产生的、新的生命大分子复合体不就是真核细胞区别于原核细胞的特征吗?当然,在这里讲的只是一种“可能”。可是,反过来想,如果真的有“富余生命大分子”产生,但不能形成新的复合体,那么这些散在的大分子是不是会对更高效的“正反馈”过程产生抑制或者造成破坏性扰动呢?如果那样,通过“自组织”自发形成新的复合体,不又成为维持更高效的“正反馈”过程、避免系统崩溃不得不的选项之一了吗?综合起来考虑,这些真核细胞特有的生命大分子复合体的形成不就是发生改变后的新的动态网络单元“正反馈自组织”属性的迭代产物吗?

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那么,真核细胞相比于原核细胞有什么优势,居然衍生出地球生物圈几乎所有能被人类视觉分辨、包括人类自身的生物类群呢?

有关真核细胞的优势,学界目前有各种解释。不同的学者强调的侧重点可能会有不同,但有一点大概是有共识的,就是真核细胞中作为生命大分子网络关键组分(在本系列文章中比喻为乐高积木的零配件)的蛋白质生产流水线的“图纸”,DNA,相对于原核生物被更好地保护了起来。同时,生命大分子网络的运行,受到由“中心法则”所描述的蛋白质生产流水线的更加严格、从而可能更优化的控制。从对原核细胞如大肠杆菌和真核细胞如酵母的代谢网络调控机制的比较可以发现,原核细胞的生命大分子网络运行更加像原始部落,成员之间的相互作用随机性更高;而真核细胞的生命大分子网络更加像中央集权的国家,有更多的调控层级,成员之间存在更加复杂但高效的分工协同。如果考虑到前面所说的真核细胞源自“正反馈自组织”属性驱动下的动态网络单元迭代,真核细胞在结构上的集约和功能上的优化,使之获得了相比于原核细胞更高的稳健性。

从之前讲到的生命大分子网络的两种形式的角度,真核细胞内更加复杂的生命大分子复合体的出现,同时也为复合体在动态运行过程中出现新的组合提供了可能[7] 。这种可能性大概可以用来解释是为什么是真核细胞而不是原核细胞会出现各种复杂的分化,并最终成为多细胞真核生物的构建单元。

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当然,如同生命系统中各种演化创新事件一样,“三个特殊”相关要素因各种不确定扰动而导致相互作用/整合方式发生改变/迭代的随机性,决定了这些迭代不可能在生命系统的所有节点同时发生。没有发生迭代的节点仍然可以保持其原有的整合方式。这也就解释了是地球生物圈中,尽管机缘巧合之下出现了真核细胞,原核细胞却仍然可以在不同的区域维持自身的生存模式。这就让我们人类这些生命系统演化的后来者可以看到“既生瑜,又生亮”。

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 真核细胞是有细胞核的细胞。是人类发明显微镜之后最初看到的细胞类型。当时人们以为所有的细胞都有细胞核。直到进入20世纪,显微技术的发展证明细菌之类的细胞不仅比通常大家在多细胞生物中看到的细胞小,而且没有细胞核,才意识到细胞除了有细胞核的类型(被称为真核细胞)之外,还有没有细胞核的类型。这些没有细胞核的类型就被称为“原核细胞”。目前所知地球上最早出现的细胞都是原核细胞。

[2] 参加本专栏《作茧自缚——细胞是什么?》

[3] 内膜系统相应于细胞膜而言,是细胞膜内复杂的膜系统。基本结构上和细胞膜类似,都是双层磷脂排列而成。但性状和功能非常多样性。细胞骨架是由特殊的蛋白质,比如微管蛋白,按照特定的方式排列而成的柱状或者管状结构。在细胞内发挥重要的支撑和运输作用。

[4] 古菌,又称古细菌Archaea。是一类特别的原核生物。有关信息有比较强的专业性。如果有兴趣的读者可以到网络上去检索。

[5] 还记得本专栏之前的文章《“分“还是”合“?》吗?

[6] Booth A and W. F. Doolittle (2015) Eukaryogenesis, how special really? PNAS, 112: 10278-10285

[7] 参见《剪不断,理不乱》一文中所提到的生命大分子网络运行在组分层面上的群体性、通用性、异质性和在组分互作层面上的多样性、随机性、异时性。

注:图1、2均来自丁明孝、王喜忠、张传茂、陈建国主编的《细胞生物学(第5版)》。高教出版社