细胞

注册

 

发新话题 回复该主题

细菌鞭毛是细菌用于运动的细胞器,而它 [复制链接]

1#
白癜风怎么引起的原因 http://m.39.net/pf/a_4992915.html

在过去的60年中,尤其是21世纪以来的最近一段时间,这种科学的解释正在以可喜的速度丰满起来,渐渐揭示了一幅宏大、壮丽、摄人心魄的生命起源图景。但这幅图景并不是用普通人日常熟悉的语言揭示的,而是由数不清的热力学、地质化学、化学动力学、有机化学、生物化学、分子生物学、结构生物学、细胞生物学……生硬晦涩的术语吐露的。

在某种程度上,这幅图景就像奥林匹斯山上的火种,让常人难以企及。所以直到今天,公众大多不知道世上有这样一幅图景,还以为科学对生命的起源一筹莫展,仍然停滞在60年前那个在烧瓶里煮汤的粗糙实验里。

不过,最能讽刺整个“钟表匠类比”的部分:威廉·佩利认为石头代表了简单,而钟表代表了复杂,生命是比钟表更复杂的存在。但如今看来最可能的情形,却是生命本身就源自各种石头:橄榄石,地球深处最常见的石头,能与海水发生持续的水化反应,给生命起源提供源源不断的能量。

石膏和石灰,地球表面最常见的石头,能够形成错综复杂的矿物管道,给生命起源创造化学反应的条件;铁硫矿,地热活动形成的铁的硫化物,能够催化复杂的氧化还原反应,促成了生命起源时的新陈代谢。这些石头虽然如此平庸,但是在原始海洋深处,它们构成了最不平庸的立体结构。

那是一些像海绵一样错综复杂的沉积物,四通八达的毛细管道在其中纵横交错。这个宇宙中最常见的两种氧化物,水和二氧化碳,就在其中以最巧妙的方式邂逅,并在这些石头的催化之下发生了层层递进的化学反应:简单的无机物变成简单的有机物,简单的有机物又组合成复杂的有机物,一些最复杂的有机物开始催化复制自己的过程,遗传、突变、自然选择,进化就这样悄无声息地开始了。

终于,这些有机物进化出了一种隔离机制,可以把自己与周围其他的化学反应统统区分开来。事儿就这样成了,第一批原始细胞诞生了!所以,有机物的构成细胞看起来如此柔弱,却是由岩石孕育出来的奇迹。

直到今天,每一个活细胞的内部,都还镶嵌着数以万计的“岩石碎片”,那是一些金属氧化物的微粒,仍然延续着40亿年前的化学反应,电闪雷鸣般地传递着自由的电子,以此维持着我们全部的新陈代谢。威廉·佩利如果知道了此事,该做何感想呢?

他以为生命如同钟表,与从来就有的岩石根本不同,然而到头来,生命内部最复杂的地方,竟然也“从来就有”一块块石头!我们或许可以借一句俗话——“搬起石头砸了自己的表”。

在神创论与进化论的交锋中,有一个著名的“奇兹米勒诉多佛学区案”,在21世纪刚刚开始的时候就给我们带来了一场精彩的辩论。年12月14日的美国宾夕法尼亚州,11名来自多佛学区的家长向联邦法院提起诉讼,控告当地教育委员会在公立学校中公然宣讲“智慧设计论”——生物有一些复杂的结构不能用进化解释,而一定出自某个高度智慧的设计者。

法院受理了此案,年9月26日正式开庭,11月4日宣判,原告胜诉,法官宣布:所谓的“智慧设计论”不过是改了名字的神创论,是一种明确的宗教思想,不但不是科学理论,还充斥着过时和错误的观点。或者更直白地说:任何关于“造物主”的理论都是伪科学。我们不需要纠结这场审判中的流程细节,而只需注意被告方为“智慧设计论”提供的关键“论据”:细菌鞭毛。

所谓“细菌鞭毛”是细菌用于运动的细胞器。鞭毛从外观上看很简单,就是细胞膜上长了一根又细又长的线,能像精子的尾巴那样不断扭转,搅动水流,推动细菌前进。但仔细观察它的微观结构,就会发现它格外精密复杂,好似一台微小的发动机。

细菌鞭毛是一种超巨型蛋白复合物,它的基体部分镶嵌在细胞膜和细胞壁之间,由一系列的蛋白质圆环依次叠摞构成。其中,最下方的几个环互相咬合在一起,可以在细胞膜上转动,我们可以将它称为“转子”,尤其是下方的C环特别大,在边缘上有很多齿,好像一台水车的轮子,而在C环这个轮子的边缘又簇拥着大约10个小型离子通道,我们把它们称作“定子”。

细菌的新陈代谢会持续不断地把氢离子泵到细胞膜的外侧去,使得细胞膜外侧的氢离子浓度远远高于细胞膜内侧的氢离子浓度。这种浓度差异会产生一种强大的压力,迫使细胞膜外侧的氢离子返回细胞膜内侧,而细胞膜又几乎不能被氢离子渗透,所以氢离子必须寻找专门的离子通道钻回去。

大量的氢离子顺着定子中央的通道返回细胞膜内侧,就会形成一股强劲的氢离子流,汹涌地冲向C环边缘,于是,整个C环就真的像水车的轮子一样旋转了起来。在C环的带动下,整个转子,乃至通过鞭毛杆和鞭毛钩连接着的鞭毛丝,都将飞速地旋转起来。

据统计,细菌鞭毛每分钟可以扭转周到周,每秒推动细菌前进60倍的体长。这是个惊人的速度,要知道,就连猎豹也只能每秒前进25倍体长。你看,细菌的鞭毛的的确确是个精密而复杂的结构。那么,问题来了:这样精密而复杂的结构是怎样从无到有,从简单到复杂,进化出来的呢?

于是,“奇兹米勒诉多佛学区案”的被告方认为自己抓住了进化的把柄,自信满满地祭出了一记杀招,他们提出细菌的鞭毛具有“不可简化的复杂性”:鞭毛要想发挥功能,必须同时集齐所有的关键组件,缺一不可——如果鞭毛是进化的产物,那么环形基座、单向的齿、分子马达、鞭毛本身……

这一系列关键组件分别进化完善之前,细菌鞭毛都不能发挥任何用途,是一个毫无用处的半成品,而半成品非但不能给细菌带来任何好处,而且是个消耗能量的累赘,这就从根本上违背了“适者生存”的进化原则。所以,细菌的鞭毛不可能来自循序渐进的进化,而只能在历史上的某个瞬间由某个高度智慧的设计师设计出来,这必然就是证明上帝存在的线索了。

不得不说,这套说辞乍看起来非常合理,至今还能唬住许多不明就里的人。但它完全站不住脚,因为我们已经知道细菌鞭毛是怎么进化出来的了,它的原型就是一个“注射器针头”!仔细比对蛋白质结构和相关基因之后,我们已经非常明确地知道了细菌鞭毛的进化原型就是“III型分泌系统”,将这两种东西的结构放在一起比较,一眼就能看出二者的相似之处。

所谓的“分泌系统”,就是一些沟通细胞内外的通道,细菌可以借此向细胞外释放各种大分子物质,而“III型分泌系统”的主要分泌物是“*力蛋白”,也就是帮助细菌感染宿主的有*蛋白质。

III型分泌系统在细胞膜外侧有一个显眼的“针头”,专门负责钻透宿主的细胞膜,以便把那些*力蛋白注射进去。而细菌要制造这样一个针头一点儿都不难,它们只需在分泌*力蛋白之前先分泌一些结构蛋白,这些结构蛋白就会在细胞膜外侧“凝聚”出这根中空的针了。

而驱动基座旋转的那些“定子”虽然在III型分泌系统中并不存在,但也不是什么稀罕的东西,它们源自另外一类跨膜通道蛋白,被称为“离子通道”,用来调节细胞膜两侧的离子浓度,这类蛋白细胞膜上本来就有很多。

当这些离子通道吸附在了分泌系统的基座附近,那些穿膜而过的氢离子流就会推动整个分泌系统旋转起来了。让分泌系统旋转起来,本身就是一件好事——想想看,如果你想把锥子戳进什么东西里却戳不动,会怎么办?转动它。

同样,会转动的分泌系统也在感染宿主这件事上更加得力,而如果某个细菌的鞭毛再稍稍突变一点,没完没了地分泌结构蛋白,那个针头就会越长越长,长了自然就显得软,舞起来就更带劲,就会掀起水流——就这样,细菌进化出了长长的鞭毛。

鞭毛基体的核心部位有一套“输出门控”和“ATP酶组合”,那就是专门负责分泌蛋白质的组件,无论是构成针头的结构蛋白、细菌要分泌的独立蛋白,还是构成鞭毛钩和鞭毛丝的结构蛋白,都是通过它们输送出去的,所以它们也是细菌鞭毛和III型分泌系统最一致的组件。

分享 转发
TOP
发新话题 回复该主题