生命是一种最为奇妙、最富魅力的自然现象。在现在的地球上,生活着150多万种动物、40多万种植物和20多万种微生物,构成了一个蜂飞蝶舞、鸟语花香、山清水秀、绚丽多彩的生命世界,繁衍进化,生生不息。从高山到平原,从沙漠到草原,从空中到江河湖海,从地表到地下,到处都有生命的踪迹。
然而,在46亿年前,当地球在宇宙中形成之初,地球不仅受到亿万颗替星和陨石的撞击,而且用了大约1亿年的时间,才把高达数千摄氏度的温度降了下来。那时的地球是一个无生命的荒凉沉寂的世界。过了大约10亿年,地球上似乎才有了简单的蓝藻类微生物。那么,地球上最初的生命是何时、何地又是如何诞生的呢?这就是人们普遍关心的地球生命起源的问题。
生命起源是当代的重大科学课题,然而却又是至今依旧了解甚少的最基本的生物学问题。在这篇文章里,我们将介绍有关生命起源的几种学说。
关于生命的起源,历史上曾经有过种种假说,如“神创说”(认为生命是由上帝或神创造的)、“自然发生说”(认为生命,尤其是简单生命是由无生命物质自然发生的)等。这些假说多出于臆测,已被人们所否定。从近年召开的国际生命起源学术会议提出的研究论文看,当代关于生命起源的假说可归结为两大类:一是“化学进化说”,一是“宇宙胚种说”。
化学进化说主张,生命起源于原始地球条件下从无机到有机、由简单到复杂的一系列化学进化过程。宇宙胚种说则认为,地球上最初的生命是来自地球以外的宇宙空间,只是后来才在地球上发展了起来。
化学进化学说
核酸和蛋白质等生物分子是生命的物质基础,生命的起源关键就在于这些生命物质的起源,即在没有生命的原始地球上,由于自然的原因,非生命物质通过化学作用,产生出多种有机物和生物分子。因此,生命起源问题首先是原始有机物的起源与早期演化。化学进化的作用是造就一类化学材料,这些化学材料构成了氨基酸、糖等通用的“结构单元”,核酸和蛋白质等生命物质就来自这些“结构单元”的组合o
1922年,生物化学家奥巴林第一个提出了一种可以验证的假说,认为原始地球上的某些无机物,在来自闪电、太阳辐射的能量的作用下,变成了第一批有机分子。时隔31年之后的1953年,美国化学家米勒首次实验验证了奥巴林的这一假说。他模拟原始地球上的大气成分,用氢、甲烷、氨和水蒸气等,通过加热和火花放电,合成了有机分子氨基酸。继米勒之后,许多通过模拟原始地球条件的实验,又合成出了其他组成生命体的重要的生物分子,如嘻吟、啼暖、核糖、脱氧核糖、核昔、核昔酸、脂肪酸、叶琳和脂质等。1965年和1981年,我国又在世界上首次人工合成出了胰岛紊和酵母丙氨酸转移核糖核酸。蛋白质和核酸的形成是由无生命到有生命的转折点,上述两种生物分子的人工合成成功,开始了通过人工合成生命物质去研究生命起源的新时代。
一般说来,生命的化学进化过程包括四个阶段:从无机小分子生成有机小分子;从有机小分子形成有机大分子;从有机大分子组成能自我维持稳定和发展的多分子体系;从多分子体系演变为原始生命。
宇宙胚种说
过去和现在,已经提出了许多属于宇宙胚种说的假说,如在1993年7月的第十次生命起源国际会议上,有人提出,“造成化学反应并导致生命产生的有机物,毫无疑问是与地球碰撞的誊星带来的”;还有人推断,是同地球碰撞的其中一颗茎星带着一个“生命的胚胎”,穿过宇宙,将其留在了刚刚诞生的地球之上,从而有了地球生命。几年前,一位空间物理学家和一位天体物理学家也把地球生命的起源解释为:地球生命之源可能来自40亿年前坠人海洋的一颗或数颗营星,他们也认为是营星提供了地球生命诞生需要的原材料(他们将之谓“类生命生物”)。
尽管有科学家对此类假说持强烈的反对意见(他们认为:“劳星是带来了某些物质,但它们不是决定性的,生命所必需的物质在地球上已经存在”),尽管诸如此类的观点仍是一些尚需进一步证明的问题,但通过对陨石、茎星、星际尘云以及其他行星上的有机分子的探索与研究,了解那些有机分子形成与发展的规律,并将其与地球上的有机分子进行比较,都将为地球上生命起源的研究提供更多的资料。
细胞起源说
具有原始的新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命的诞生,标志着生命起源化学进化阶段的结束、生物进化阶段的开始。
生命活动的基础是一系列化学变化,而这些化学变化都是在酶的催化作用下完成的,生命体的遗传依赖于DNA(脱氧核糖核酸)的复制过程。原始生命是自催化的,要发展成酶催化需要一定的物质基础,也需要一定的形态结构。细胞就是生命体具备包括酶催化和DNA复制在内的完整功能的基本结构单位和功能单位。原始生命先是非细胞形态,而后不断演化和发展成为细胞形态,这又是一次质的飞跃,这一过程就是生命起源中的细胞起源。细胞起源是生命起源的重要一环。
研究生命起源的意义
研究生命起源是要弄清几十亿年前生命诞生的历史,然而其意义远不止追根溯源,还在于可以了解生命与环境、整体与部分、结构与功能、微观与宏观、个体发育与系统发育以及物质和能量与信息之间的辩证关系,可以进一步阐明遗传变异、生长分化、复制繁殖、新陈代谢、运动感应和调节控制等生命活动的机制,从而认识和阐明生命的本质,以实现人类控制和改造生命的目标。
虽然,生命起源和细胞起源问题的研究是在试图重建一个遥远的历史过程,有别于大多数其他研究领域,完整的起源过程不可能在实验室里得以重复。但是,它是可以分阶段、一步一步地在实验室去模拟、去检验的。因此,研究起源问题,一方面要到大自然中去寻找答案,另一方面也是更重要的是在实验室进行各个演化阶段的模拟研究,开展人工合成生命物质、人工合成细胞的研究。这些研究不仅有助于生命起源和细胞起源问题的阐明,反过来,其研究成果又可以指导人们根据需要去人工合成生命物质、人工合成细胞甚至人工合成生命,实现生命科学的最终目标——控制生命和改造生命。
在《中国植物志》上,拟南芥叫“鼠耳芥”,是从其英文名字mouse-earcress翻译而来,“拟南芥”一名,则是对其属名Arabidopsis的直译。
拟南芥,你不一定听说过,但你一定见过它的近亲油菜花。
设想一下,你眼前的油菜花拥有孙悟空的法术会缩小,也会变色,它一个劲地变小、再变小,直到变得和我们春天里吃的荠荠菜一般大。然后,再把油菜花花瓣的金黄色变成白色——这大概就是拟南芥的模样了。
拟南芥和油菜花同属十字花科植物,它们的花朵,都拥有四个花瓣,四枚花瓣,十字形两两相对,围绕在花蕊身旁,数朵十字小花,又以总状花序聚集。油菜花金黄,拟南芥花朵洁白;一个大点,一个是小不点。从体量上看,就像爷爷和孙孙。它们也都拥有细长的微微向上弯曲的荚果,成熟时开裂,弹射出里面排列得齐齐整整的细小种子。
可以食用
更适合做科学研究实验
和十字花科的其他植物白菜、油菜、荠荠菜一样,拟南芥也是可以食用的。
不过,拟南芥最重要的用途,是充当植物界的小白鼠,在科学家的眼里,没有什么植物比拟南芥更适合用来做科学研究实验了。它个头矮小、生长迅速、种子多,而且能够自花授粉。
个头矮小,身高20-30厘米,适应性强,这些特点,使得拟南芥很方便在实验室里进行培育种植。到目前为止,它也是最适合在太空舱内进行播种繁育操作的植物,从相关报道中得知,一个餐盘大小的托盘上,可以放24个拟南芥小花盆。
一年可以繁殖多代
大大提高了实验效率
拟南芥是草木的代表,是第一种获得基因组测序的植物,不仅在国际空间站种植,它还登上过月球。科学家把它在太空里的生存规律研究透彻后,就可以培育出适合在太空种植的粮食作物,为人类移民月球、移民火星种植粮食和其他植物,提供宝贵经验。
拟南芥生长迅速,生命周期短,短短6周的时间,就能完成“从种子到种子”的繁殖周期。在遗传育种的研究中,会大量运用到杂交技术,每次实验都需经历一个完整的植物繁殖周期。拟南芥一年可以繁殖多代,大大提高了实验效率——播种1个月后,就可开花,再过半个月,就能收到它的种子;繁殖期的拟南芥每次都能产出数千枚种子,后代数量多,利于后期的统计分析;自花授粉,则意味着拟南芥的基因是高度纯合的,很好地保证了基因的稳定遗传。
最重要的是,拟南芥的基因组小,其基因组大约为1.35亿碱基对和5对染色体。对比一下,人类有32亿碱基对、23对染色体。
隔代遗传和人类相似
已应用到癌症等疾病研究方面
研究还发现,拟南芥的隔代遗传,和人类非常相似,现已应用到癌症和神经等疾病的研究方面,用理化因素处理突变率很高,容易获得各种代谢功能的缺陷型,且容易对其进行生活力记录。
正是以上特点,让外观不甚起眼的拟南芥,成为生物学和遗传学实验的常驻嘉宾,成为科学家最喜爱的模式植物。
就像小白鼠实验的结论可以外推到人类身上一样,在拟南芥中找到的基因,几乎都可以在其他植物身上找到同源基因。譬如,通过拟南芥,人类知道了植物怎样分化出各种器官,花粉如何萌发,卵细胞如何受精,等等,也知道了植物如何感知光照、感知环境、感知病虫害,以及如何利用植物激素传导信息来调动体内的相应机制去处理、去应对……了解了拟南芥的秘密,也就了解了与我们息息相关的农作物以及其他植物的秘密。
有人甚至通过筛选统计已发表的科研论文,选出了拟南芥身上最受欢迎的20个基因,这20个“最热基因”,参与了植物生长过程里诸多关键的行为:开花、防御反应、生长素运输、光形态与光受体的构建,植物信号调节和干细胞调控,等等。
能听到害虫撕咬叶片的声音
意味着植物真的有听觉
有意思的是,瑞典的科学家在实验中发现,拟南芥在遭遇害虫叮咬的时候,会合成毒素来驱赶害虫。当然,这不是特例,几乎所有的植物在遭受虫咬的时候,都会产生这样的应激反应,还会向周围的邻居“打”告知敌情,以便大伙儿尽快建立起驱虫机制。这个实验的特别之处,在于科学家把害虫咬食叶片的声音录了下来,然后播放给拟南芥听。科学家发现,拟南芥听到这可怕声音的时候,它体内的毒素水平也显著上升了。而播放类似于泉水叮咚乃至劲爆迪斯科给拟南芥听时,它是无动于衷的——拟南芥竟然能听到害虫撕咬叶片的声音,这意味着植物真的有听觉。
小小的拟南芥,也曾经是解决国民口粮问题的大功臣。这是因为,水稻抗旱能力的增强,得益于在拟南芥身体内获得的一种突变体hrd-D,这种功能基因,被科学家表达在水稻中,实现了水稻根系锁水、降低蒸腾,提高光合效率等功效。生长于西北地区干旱缺水的水稻,因此获得了能够抗干旱和抗高盐环境的能力,解决了当时我国水资源短缺的问题,最终让更多的人都吃饱了肚子。 祁云枝/文 /图
糖尿病是常见的内分泌代谢紊乱性疾病,被人们称之为富贵病,很多人望文生义,以为糖尿病就是因为吃糖多导致的!其实这种认识是错误的,对于糖尿病的病因认识不到位,糖尿病怪糖,其实真是冤枉糖了!
糖尿病分1 型和2 型,1 型糖尿病的发生与自身胰岛素分泌不足有关,2 型糖尿病与胰岛素作用不强、机体对胰岛素不敏感,发生胰岛素抵抗有关。
胰岛素是胰岛B细胞分泌的,体内唯一可以降低血糖的激素。糖尿病患者并不是因为吃糖多导致的,而是因为身体没法吸收利用糖导致高血糖。所以糖尿病应该怪胰岛素不足!或者怪自己身体对胰岛素不敏感!
血液中血糖高会导致渗透压升高,所以患者多喝水来稀释糖浓度。多出来的糖到了尿液中,高糖的尿液渗透压也高,身体就要把它排泄到体外,也就是多尿。血液中的糖不能被吸收利用导致热量供给不足,患者就会得比较多,但吃了也照样饿,所以瘦。于是糖尿病患者就出现了多尿、多饮、多食、体重减少的“三多一少”症状。
糖尿病除了归罪胰岛素外,该病的发生其实和日常生活中的很多因素有关。
第一,长期摄入高热量食物,结构不合理的膳食会导致肥胖,随着体重的增加及缺乏体育运动,胰岛素抵抗会进行性加重,最终导致2型糖尿病的发生。
第二,长期精神紧张、抑郁情绪会促使体内去甲肾上腺素、胰升糖素、肾上腺皮质激素等具体升糖作用的激素大量分泌,造成体内内分泌代谢紊乱,导致高血糖的出现,最后引发糖尿病。
第三,长期作息不规律,习惯性熬夜,睡眠不足会直接导致血糖浓度升高。