作茧自缚——细胞是什么?

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》。

2021-05-15 / 阅读时长 7 分钟
专栏 首发 白书农

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学过中学生物的人都知道,教科书在介绍细胞时,都会说它是生物体结构与生命活动的基本单位。甚至很多研究生命活动的著名学者认为,只有在细胞层面上,才能讨论生命活动。可是大家都知道,由生命大分子(即前面文章中提到过的蛋白质、核酸、多糖和脂类)作为“零配件”构成的细胞,其结构和其中发生的生命活动非常复杂。

一个简单的问题就出现了:那些“生命大分子”是在细胞出现之前就存在的呢?还是在细胞出现之后才在细胞中被“制造”出来的呢?

如果是前者,在没有细胞的情况下出现,它们的出现本身算不算“生命活动”呢?    如果是后者,没有生命大分子,最初的细胞又是由什么构建的呢?    这似乎是一个“先有鸡还是先有蛋”的古老问题。

在本专栏前面文章中提到的“生命公式”中,“活”和“演化”,乃至生命大分子作为节点而构建的网络的自发形成,都是不依赖于细胞的存在而被定义的。从这个角度看,显然是先有“生命活动”,后有细胞。可是,目前地球生物圈中所有已知“生物”,的确都是以细胞为基本单位而存在的。

于是,上面那个传统观念中无法回避的“先有鸡还是先有蛋”的问题,在“整合子生命观”中就转变成为从“活”的“结构换能量循环”,到在复合体基础上借助自催化或者异催化的共价键自发形成,再到具有“正反馈自组织”属性的生命大分子网络的“整合子”迭代过程,有没有可能自发地形成或者“迭代”成最初的细胞。

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有关细胞形成的可能过程,在学界有很多讨论。比如已故著名的物理学家Freeman Dyson就在其1999年出版的一本名为Origin of Life的小册子中,根据别人的研究结果,提出过一个有关细胞起源的“垃圾袋模型(Garbage-bag Model)”。但他说过一句话,看似谦逊但却反映实情:

“就我所知,(在生命本质和起源问题的理解上)我们同样的无知,这就是为什么像我这样的人也可以假装作为专家。”(We’re all equally ignorant, as far as I can see. That’s why somebody like me can pretend to be an expert.)

话虽这么说,从“科学”(至于“科学”究竟是什么,我们以后会专门讨论)角度对自然现象的讨论,多多少少总要引用一些实验证据。Dyson所提出的“垃圾袋模型”中那些要点是从哪些实验证据中推理出来的呢?

和很多重要的科学假说的形成类似,被Dyson冠以“垃圾袋模型”的细胞起源假说的几个关键证据来自原本互不相关的科学发现。其中一个是1965年英国科学家A. Bangham发现磷脂可以在有水存在的情况下,自发形成双层膜,甚至成为一个由双层膜包被的被他称为“脂质体”的囊泡(图1)。

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图源:Albert Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox (2008) Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman

另一个是人们发现在1969年坠落在澳大利亚的Murchison附近的一块碳质陨石中,发现有丰富的“有机物”,包括多种氨基酸、糖类、脂类和核酸的构成要素嘌呤和嘧啶。这块陨石据测有70亿年历史。远远长于地球的46亿年。这个发现说明在地球之外的空间中存在有地球生命系统构成的基本要素。

第三个发现更是机缘巧合。美国加州大学戴维斯分校的生物化学教授David Deamer本来是学冷冻蚀刻电镜技术的。他对DNA测序原理的研究成为目前流行的纳米孔DNA测序技术的基础。但1975年去英国A. Bangham实验室的学术休假,让他对生命起源问题发生了兴趣。之后就开始在实验室验证Bangham提出的生命系统中“膜先出现(membrane came first)”的观点。

他发现,不仅从Murchison陨石中分离出的脂类组分可以自发形成囊泡,而且在火山口干湿交替的部位也可以自发形成囊泡。主要基于这些发现,Deamer和其他一些研究者提出,在特定的环境中,脂类组分可以自发地形成囊泡,包裹一些比如RNA的分子,从而形成可以生长并自我复制[1]的细胞。

虽然Deamer等人的工作确认了作为细胞膜的基本结构——磷脂双层膜自发形成的可能性,并受到Dyson这种大人物的欣赏,他们的假说并没有回答被磷脂双层膜包被的组分是从哪里来、是如何关联起来、并最终成为一个“活”的“细胞”的。

大家读到这里是不是可以发现,本文第二段提出具有“正反馈自组织”属性的生命大分子网络能否自发地形成或者“迭代”出最初的细胞的问题,肯定的答案呼之欲出了?

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在上一篇《剪不断、理不乱》中,我们提出,基于碳骨架组分的基本属性,在组分混杂的状态下,完全有可能自发地形成具有“网络”属性的生命系统。与上面讨论的Deamer他们有关来自陨石的脂类物质可以自发形成囊泡的实验稍有不同的是,在我们假设的生命大分子网络中,脂类物质既是具有“正反馈自组织”属性的网络的产物,又是构成网络的节点组分之一。

借用上述 “垃圾袋模型”所依据的几个证据,我们可以发现,既然来自碳质陨石的脂类物质可以自发形成囊泡,那么由“结构换能量循环”推理出来的“生命大分子网络”组分的脂类物质不是也可以自发形成囊泡 吗?

如果作为既存生命大分子网络产物和节点组分的脂类自发形成的囊泡中,恰好有一些把产生脂类物质的网络给包被起来,即生命大分子网络被其组分给包被了,具有“活”和“演化”特征的生命大分子网络的一种全新形式——细胞——不就出现了吗?(图2)

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虽然目前学界对囊泡自发形成所需要的地球上细胞起源时的环境如何所知甚少,但在这里提出的“细胞是一种被网络组分包被的生命大分子网络的动态单元”的假说,不仅提供了一种细胞起源的可能模式,而且还解决了“垃圾袋模型”没有回答的“袋”中组分的来源、关联机制、尤其是这个“垃圾袋”是怎么“活”起来的问题。

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可能有人会问,具有那么复杂结构和生命活动的细胞形成怎么可能那么“随意”?

其实,以现代生物学的知识,所谓的“细胞结构”,无非就是各种不同生命大分子的复合体;“细胞生命活动”,无非就是维持生命大分子合成与降解、生命大分子复合体形成与解体的动态过程。有关细胞属性定义的两大要素,“结构”和“生命活动”,其本质不都是生命大分子网络的不同形式吗(见《剪不断、理不乱》)?

而且,在现存地球生物圈中的细胞,其结构和生命活动并不是整齐划一的。我们人类细胞不可或缺的细胞核,在生活在人体内的大肠杆菌中就没有。另外,说来简单的网络组分对生命大分子网络的包被,恐怕也不是一次成功的。很可能的情况是,自发形成的囊泡随机包被了不同的生命大分子子网络,在动态的囊泡分裂或融合中,恰好有机会把一个具备“正反馈自组织”属性的生命大分子网络包被起来。

不同的被网络组分包被的生命大分子子网络的囊泡,和之前我们提到的不同的“结构换能量循环”的复合体可以具有不同的存在概率,或者不同组分构成的整合子具有不同的稳健性一样,也会因其中包被的生命大分子网络的稳健性不同而有不同的存在概率。最后,存在概率高的就脱颖而出,成为学界所推测的“最早的祖先细胞(Last Universal Common Ancestor, LUCA)”。

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我们这里提出的细胞本质是“被网络组分包被的生命大分子网络的动态单元”的假说。尽管可以回答Dyson所提出的“垃圾袋模型”中没有回答的问题,但和Dyson的模型一样,需要被实验来检验。由于当下的地球和细胞起源之初的地球已经难以比较,要检验任何看似合理的细胞起源模型的客观性,恐怕除了人工模拟之外别无他法。因此,估计不会有什么人真正介意在现在已经很多的假说中再增加一个。

但我们的假说中的一个推理可能会被人质疑,即先有生命大分子网络后有细胞、生命大分子网络以“结构换能量循环”为“连接(link)”、而“结构换能量循环”是“特殊组分在特殊环境因子参与下的特殊相互作用”(三个特殊),因此环境因子是生命系统的构成要素。

这种质疑是可以理解的。起码在我的印象中,长期以来在对以细胞为基本单位的生物体的认知上,人们从来就是把生物与环境分为两个对立的实体存在而看待的。如果在前细胞阶段,我们讨论环境因子是生命系统的构成要素时大家还不以为忤的话,到了细胞阶段,细胞膜不是把生物和环境划出了内外边界了吗?环境因子怎么还能被看作是生命系统的构成要素呢?

其实,对这样的质疑并不难回答。在中学生物学教科书中,谈到细胞膜时,就已经告诉大家这种膜具有半透性。什么叫半透性?就是和质膜外的空间存在组分的交流。从前面所列图2可以看出,两者之间在构成生命大分子网络组分的自由态和整合态之间的转换并没有发生改变,只是组分在自由态移动的过程中多了一个跨越屏障的环节而已。

做一个不那么准确的比喻,就如同人在一个由纱窗包被的空间中,在空间内呼吸到的空气和空间外并没有实质性的差别。

因此,虽然在以细胞形式存在的生命大分子网络运行过程中,自由态组分移动需要跨膜的环节的确衍生出了很多新的属性,但并没有改变环境因子是生命大分子网络构成要素的基本特征。有关细胞出现后生命系统会出现哪些新的属性,我们在后面的文章中再讨论。

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 因为有实验证明有些RNA可以催化自身的合成,所以有人认为最早的基因形式是RNA,并因此而提出生命起源的“RNA世界(RNA world)”假说。

[2] 这个判断中,不排除最初的“脂类物质”中包括在“活”的“结构换能量循环”形成之初就已经存在于特定环境中的和来自地外空间类似的脂类物质。

* 图2 GIF图片由北京大学生命科学学院实验技术中心杜明帮助完成,特此致谢。

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