地球/7d. 性别的起源
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细菌属于一组称为原核生物的单细胞生物，它们表现出包围着游离的环状 DNA 分子的细胞膜和壁，该 DNA 分子被保留在含有由核糖体 RNA 产生的各种蛋白质的细胞质流体中，并由 DNA 分子编码。细胞膜和壁由脂质和蛋白质构成，由来自氨基酸和碳水化合物的 RNA 产生，大多数细菌会从外部环境中吸收这些物质。一些细菌表现出从它们的细胞壁伸出的长的鞭状突起，这些突起有助于细胞运动，称为鞭毛，而另一些细菌则能够分泌碳酸钙，形成坚硬的骨骼细胞壁。原核生物主要通过二分裂进行无性繁殖，即 DNA 分子复制一个几乎相同的有效副本，并且细胞膜分成两个细胞（胞质分裂），每个细胞都包含一个 DNA 分子。大多数原核生物通过这种简单的无性繁殖过程进行复制。因此，一个细胞可以通过翻倍非常快地繁殖。只要环境中有足够的氨基酸和碳水化合物或蛋白质，细菌就可以从单个细胞中快速繁殖到大量。这种翻倍使细菌菌落能够迅速增加种群规模。
单个细菌细胞最终会死亡，这在很大程度上取决于环境条件。例如，如果环境变得过于恶劣，例如缺乏营养物质、高温、酸性或碱性水 pH 值、高盐度、短波长电磁辐射、核辐射或高氧化，细胞就会死亡。这意味着早期的细菌种群受到外部环境条件和生命必需营养物质供应的限制，这些营养物质最初是自然产生于地球的大气层和海洋，但供应有限。如果一个庞大的细菌种群面临恶劣的环境，这些单细胞生物中的许多会死亡，留下它们正在腐烂的细胞团提供的复杂有机分子的新鲜营养来源。如果只有一个活细胞能够在这种恶劣的环境中生存，这对它来说将是一个巨大的好处，因为幸存者将有充足的营养供应。使生物体能够更好地适应环境的性状称为适应。这些适应可能是由于细胞 DNA 复制过程中发生的随机性而产生的。
DNA 是脱氧核糖核酸的缩写，是一种大型有机分子，由两条多核苷酸链组成，它们相互缠绕形成双螺旋结构。每个 DNA 分子在每个分子方面都是唯一的，并且携带非常大的单个独特核苷酸链，这些核苷酸链由四个核碱基中的一个组成（胞嘧啶 [C]、鸟嘌呤 [G]、腺嘌呤 [A] 和胸腺嘧啶 [T]），每个核碱基都连接到脱氧核糖和一个磷酸基团，它们为 DNA 提供了糖磷酸骨架。双螺旋链通过核碱基之间的弱氢键连接在一起，其中腺嘌呤 [A] 与胸腺嘧啶 [T] 配对，胞嘧啶 [C] 与鸟嘌呤 [G] 配对。这些配对在 DNA 分子复制的第一步很容易断裂，在复制过程中，双螺旋结构被“解开”，使用一种称为解旋酶的酶。两条松散的单链 DNA 将充当模板来制作新的副本。
一条链称为引导链，其3' 末端带有末端羟基，而滞后链具有5' 末端，带有末端磷酸基团。两者都将充当模板来构建原始 DNA 每个边或链的副本。引导链将使用与引导链在 3' 末端结合并朝向 5' 末端移动的引物 RNA 分子构建到此模板上。DNA 聚合酶与引导链结合并沿模板移动，在它沿着链构建时添加互补的核苷酸碱基（A、C、G 和 T），构建与原始滞后链 DNA 几乎相同的副本。这被称为连续复制。人们通常认为原始滞后链 DNA 是按照相同的方式构建的。我们今天知道，由于一位来自日本的才华横溢的女性，它做了不同的事情。
冈崎恒子（岡崎 恒子）于 1933 年出生于日本，在小学期间目睹了第二次世界大战的恐怖，这些恐怖的影响将萦绕她一生。在毁灭性战争结束后，她进入大专院校学习生物学，并在日本获得了博士学位，当时女性首次被允许在大学获得高级学位。她喜欢在实验室工作，研究青蛙和海胆卵的早期细胞分裂，并了解这些早期细胞是如何复制和生长的。她爱上了冈崎令治（岡崎 令治），一位同样在实验室学习的科学家，冈崎令治也经历过战争的死亡和破坏，小时候曾暴露在广岛核爆炸的辐射尘中。两人结婚后搬到了美国，继续他们的研究，并开始专注于常见的细菌大肠杆菌，这种细菌生活在许多动物和人类的肠道中。他们的工作证明了滞后链 DNA 的复制方式有些不寻常。滞后链 DNA 是从片段中逐段构建的，这些片段被添加到相反的边，遵循与引导链相同的方向，第一个片段构建在解开附近，并向下移动到 5' 末端。这些片段（称为冈崎片段）是使用 RNA 引物添加的，这些引物需要被替换。一旦这些片段被放置在与其对应的碱基旁边（A 与 T、C 与 G），一种称为核酸外切酶的酶会将临时引物拉出来，并用任何缺失的核苷酸填补空白。这个过程被称为不连续复制。
一旦原始 DNA 分子的每一侧都产生了新的配对 DNA 分子，DNA 连接酶就会将序列连接起来，从而产生两个新的 DNA 分子，每个分子都包含原始 DNA 分子的一半，以及一半复制的 DNA 分子。这个过程很复杂，并且在这个微妙的细胞复制过程中可能会出现错误。如果暴露在核辐射中，这些复制过程可能会停止，或者由于这些细胞内部的这些微妙连接的断裂而导致错配。在细菌菌落中，或在人类活组织中，这种错误会导致异常细胞。大多数这些异常细胞会失败，但有些可能会癌变，异常复制，直到它们取代健康的细胞。
广岛原子弹的核辐射暴露极大地增加了Reiji Okazaki的患病风险，尽管这对夫妇搬回了日本，庆祝了两个孩子的出生，并取得了国际研究的成功，但Reiji却病倒了。1975年，他死于癌症，年仅44岁，留下了心爱的妻子和两个年幼的孩子。Tsuneko继续她的研究，并主张为日本的女科学家提供更好的资源，因为她突然被推入了独自抚养两个孩子和进行紧张的科学实验的艰难生活中。尽管如此，她还是坚持了下来，在遗传学和细胞分裂领域做出了新的发现，并领导了对更复杂生物体的进一步研究。
DNA复制的复杂性总是会导致四种可能的核碱基（胞嘧啶[C]、鸟嘌呤[G]、腺嘌呤[A]或胸腺嘧啶[T]）链中出现错误或差异。例如，胞嘧啶可能意外地被鸟嘌呤取代，这些错误会引入变异，被称为**突变**。突变可能是有害的，但也可能在更罕见的情况下是有利的，例如使细胞能够在稍微恶劣的环境中生存。在地球早期，只有细菌单细胞以这种方式复制，任何创新都来自错误随机出现的可能性。这一过程导致了对单个细胞内任何变化或进步的持续试错方法。大多数细胞将是原始细胞的近乎完美的复制品或克隆。如果环境发生剧烈变化，而细菌无法逃脱，整个细胞群几乎都会灭绝。那些幸存下来的细胞可以继续复制。
性的出现
[edit | edit source]有性生殖的起源是地球生命进化史上最伟大的创新之一。大多数细菌通过复制或克隆自身来繁殖，这些克隆与原始细胞非常相似，即无性生殖。这使得细菌种群能够大量繁殖，但也能够在生存条件发生变化时大量死亡。这是因为每个后代细胞几乎都与原始细胞相同，种群内的遗传变异很小。
细菌发展出的一种最惊人的能力是，能够在细胞之间共享遗传信息，无论是作为可以用于细胞间通信的RNA片段还是DNA片段。这种繁殖过程是有性生殖的早期形式。现代细菌通过使用菌毛（也称为性菌毛）来做到这一点，菌毛是一种长管状的附着物，可以携带新颖的DNA或RNA片段，并与周围细胞共享。菌毛还可以用作锚点，将细菌绑定到其他细胞，使它们固定在适当的位置，并且可能用于在细胞之间进行遗传通信。这些额外的DNA或RNA分子可以比简单的随机突变更快地增加细胞群内的遗传多样性。
关于病毒起源的一种理论表明，这些编码或改变细菌原始DNA的DNA或RNA片段，突变成了编码更多病毒复制的形式。事实上，这很可能是今天存在的许多病毒的起源，并且很可能大多数病毒是错误编码的RNA或DNA链，它们继续感染细胞，并在过程中改变它们。值得注意的是，在一个单个细胞群体中，DNA分子之间绝大多数差异可能是由于病毒RNA或DNA感染的相互作用，这些感染可以改变和改变这些细胞的遗传密码。这些信息中的很大一部分可能是多余的，并且对蛋白质的产生或细胞内性状的表达没有信息量，但它确实提高了可能出现具有有益结果的新颖特征的可能性。
如果两个细菌群落正在复制，那么在细胞之间共享遗传信息的群落将比必须依靠复制过程中突变和错误随机性的群落具有明显的优势。这种细胞之间早期通信网络在地球生命早期阶段变得至关重要，因为细胞开始作为一个细胞网络工作，而不是独立地工作。这种有性生殖在根本上与更复杂的单细胞生物以及植物和动物中观察到的有性生殖非常不同，但两者都起着增加种群内遗传变异的作用。共享遗传信息的能力显着改善了能够在环境条件发生变化时生存的适应性个体的结果。
单细胞复杂性的起源
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在芝加哥大学的实验室里，斯坦利·米勒在哈罗德·尤里的实验室角落进行的实验表明，原始生命形式所需的必要成分很容易在地球古代大气和海洋中产生。这些氨基酸和碳水化合物将使原始早期细菌能够在这个原始世界中繁衍生息。然而，随着人口的增长，这些快速繁殖的细菌将不可避免地消耗掉所有有限的自然资源。因此，生命是宝贵的，因为它依赖于自然过程提供的营养物质的数量，以及早期地球恶劣的环境。毫不奇怪，在此期间，一些细胞转向以其他细胞为食。这就是异养生物的起源，它们从其他活细胞中摄取有机物质。除了来自自然发生的化学反应和其他活着的或腐烂的生物体的营养物质外，许多这些早期的微观单细胞生命形式利用原始的大气气体作为一种呼吸作用或能量来源，主要是CO2、SO2和NO2。这些早期的细胞生命形式被称为古细菌，来自希腊语arkhaios，意思是原始。它们在缺乏游离氧气的环境中繁衍至今，许多也常被认为是极端微生物，即可以在恶劣环境条件下生存的细菌，如缺氧或富硫水、地下深处、热硫磺泉或地球太古代时期可能更常见的极端高温或低温气候。三种主要的古细菌生命形式可以根据它们对化能合成作用的依赖程度进行划分，化能合成作用是指生物体利用仅涉及无机化学物质的反应（通常在没有阳光的情况下）而获得的能量来合成有机化合物。
首先是**甲烷生成型生命形式**，它们利用二氧化碳（CO2），通过一系列复杂的化学反应（在没有氧气的条件下）将其转化为甲烷CH4和CO2。甲烷生成需要一些碳水化合物（含有碳、氧和氢的大型有机分子）以及氢，但这些生物会产生甲烷（CH4），特别是在海洋深处的黑暗和深层区域的海底沉积物中。如今，它们也存在于许多动物的肠道中。其次是**硫酸盐还原型生命形式**，它们利用二氧化硫（SO2）形式的硫，将其转化为硫化氢（H2S）。硫酸盐还原型生命形式需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他自然产生的有机分子（如氨基酸）的形式，以及硫源，通常位于深海火山喷口附近。最后是**氮还原型生命形式**，它们利用二氧化氮（NO2）形式的氮，将其转化为氨（NH4）。氮还原型生命形式也需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他自然产生的有机分子（许多这些细菌与植物形成共生关系）的形式。所有三种生命形式都表现出厌氧呼吸作用，或不涉及游离氧原子的呼吸作用。它们都受益于自然发生的氨基酸、碳水化合物和其他复杂碳基分子的输入，芝加哥大学的尤里-米勒实验表明，这些分子可以在原始地球上自然形成，但它们也从其他单细胞生物体中摄取有机分子。
内共生
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两位好奇的热恋中的青少年在实验室里闲逛，思考着尤里-米勒实验的影响。他们的名字分别是 卡尔·萨根 和 林恩·马古利斯。萨根以16岁的年轻年龄高中毕业，并进入芝加哥大学，在那里，作为一名本科生，他曾在 哈罗德·尤里 的实验室工作。林恩·马古利斯是一名15岁的当地高中生，对科学感兴趣，在芝加哥大学实验学校就读，两人在芝加哥相遇。在他们结束大学本科学习和恋爱之后，两人于1957年结婚，并育有两个儿子（多里安·萨根和杰里米·萨根），而卡尔则梦想着地外生命，将他的学位转为天文学和物理学，后来凭借他的电视节目普及了科学。林恩则专注于生命是如何变得复杂，并继续在 威斯康星大学麦迪逊分校 学习生物学研究生课程。
这对夫妇在努力进行研究和教学的同时，还要应付学术和抚养两个孩子的需求。在加州大学，林恩·马古利斯专注于她博士研究中的一种看似简单的生物，叫做眼虫，它是一种真核生物。真核生物是更复杂的生物，它们的细胞由一个或多个细胞组成，这些细胞包含在一个细胞核内，细胞核被一个膜包围，该膜包含 DNA 的遗传信息（通常是染色体），以及细胞内的一系列细胞器，为细胞提供特殊的功能。眼虫的独特之处在于它是一种可以在池塘水中游动、用鞭毛游动的移动型藻类，但它也能像植物一样进行光合作用。大多数种类的眼虫细胞内有很多光合作用的绿色叶绿体，这使它们能够从二氧化碳和阳光中产生食物和能量。这些单细胞生物是自养生物（也称为初级生产者）的一个例子，这种生命形式可以从周围的无机环境中产生自己的食物。
林恩·马古利斯意识到，这类生物的出现对于地球历史上早期的生物来说一定是一个重大的突破。叶绿体的起源以及细胞进行光合作用的能力一定彻底改变了世界。她个人做出的一个重大科学发现来自于她对眼虫细胞内的这些叶绿体来自何处的疑问。是什么让这些生物能够在第一时间进行光合作用呢？
能够吸收二氧化碳气体和光子（以及少量氨、磷酸盐、钾和其他营养物质），并将它们转化为细胞内所需的原始成分（主要是碳水化合物）以作为食物的生物的起源是一个谜。她四处寻找其他类型的进行光合作用的单细胞藻类，她注意到一些藻类实际上是微小的原核生物，归类于蓝藻类，或者更准确地说是蓝细菌。这些细菌能够进行光合作用，通常在世界海洋的光合作用区域以细长的细胞链形式繁殖（但在地球上几乎所有有阳光的地方都能生存）。
能够进行光合作用的蓝细菌原核生物的出现将以非凡和深刻的方式彻底改变地球。当太古细菌生存的早期地球受到环境条件和营养物质可获得性的极大限制。光合作用的出现为地球早期大气中直接储藏的二氧化碳打开了大门。像火星和金星一样，地球早期的大气层几乎由 95% 的二氧化碳组成，这些二氧化碳是生命所需的天然有机分子发展的碳源。这一类单细胞原核生物获得的能力是能够直接吸收二氧化碳并产生生长所需的碳水化合物。只要大气中存在二氧化碳，蓝细菌就能大量繁殖。蓝细菌很快成为地球上占主导地位的生命形式，它们的化石得以保存，原因是这一过程与碳酸钙的形成有独特的相互作用。
光合作用从酸性水中提取碳，二氧化碳气体以碳酸的形式溶解在海水中，并将氧气释放回水中。这会提高细胞周围水的 pH 值（使其更碱性），导致海洋和淡水系统中沉淀出碳酸钙。这些细菌由于光合作用而提高了 pH 值，并且还产生细胞外的粘性多糖，这些多糖作为钙离子和碳酸根离子的结合位点，在细胞周围形成保护性骨架。当这些细胞死亡后，它们被埋在底层，形成碳酸钙石灰岩。古代石灰岩和被称为叠层石的化石藻类席保存了这些生物在太古代（约 30 亿年前）首次出现以及它们在漫长的时间跨度内不断增加的记录。这些蓝细菌释放氧气，同时减少了大气层和海洋中的二氧化碳含量，使其越来越低。
异养生物从这些新生物中获益，因为它们在这些快速增长的蓝细菌种群中找到了营养来源，并且它们很可能通过将细胞围绕这些生物外突来消耗它们，从而释放出它们的营养物质。厚厚的碳酸盐骨架是一种适应性，可以保护这些生物免受消耗。当林恩·马古利斯在显微镜下观察她的研究对象眼虫在周围游动时，她的细胞充满了绿色的叶绿体细胞器，她想知道这些绿色的叶绿体细胞器是否只是蓝细菌，这些蓝细菌并没有被细胞吞噬，而是实际上只是被整合到细胞结构中。优势是显而易见的，因为保持蓝细菌的存活将为整个细胞提供持续的碳水化合物来源。这是否是一种共生形式，其中每个眼虫的微小扭曲细胞实际上是多种原核细胞物种的共生体？真核细胞是否实际上是由多种具有不同功能的原核细胞物种组成的？这个想法是生物学的一种截然不同的观点，被称为内共生。她起草了一篇著名的论文，提出了名为“藻类植物的进化标准：一种激进的替代方案”的观点。藻类植物是一个被废弃的术语，指的是原始的真菌和藻类，以及眼虫所属的原始植物。这篇文章被拒绝了很多次，因为审稿人认为她没有足够的证据来支持这种激进的想法，尽管如此，她还是坚持了下来，并最终将其发表在《科学》杂志上，收集了一些关于所有真核细胞中共生关系的惊人证据。
支持她的想法的充分证据很快从对真核细胞中另一种细胞器的研究中得到证实，这种细胞器存在于你自己的细胞中——线粒体。线粒体是存在于大多数真核细胞中的卵形或棒状细胞器。它们具有双层膜，内层形成称为嵴的袋状物。线粒体在更复杂的真核细胞的呼吸和能量产生过程中发挥着重要作用。
在太古代数十亿年的时间里，地球大气中可用于光合作用的二氧化碳被非常成功的蓝细菌消耗殆尽，使地球大气中的二氧化碳减少，取而代之的是氧气。新的二氧化碳的输入量仅限于地球的火山活动，而火山活动仍然比现在活跃得多，因为在地球历史的早期，增生热量要大得多，但仍然有限。这种有限的二氧化碳流入大气层意味着二氧化碳经常会被火山爆发后大量藻类繁殖的光合作用蓝细菌消耗殆尽。大气层中反而充满了新的危险气体——氧气。对于大多数太古细菌来说，氧气是一种有毒气体，会对细胞造成有害的氧化作用，并降低它们进行化学合成的能力。最糟糕的是，氧气会破坏大气层和海洋中的甲烷、氨和硫化氢，而这些物质是这些原核细胞生存的必要条件。
在原始地球大气和海洋中富含氧气的情况下，有一组原核生物进化出了利用游离氧气获取能量的能力。它们是现今大多数真核细胞中线粒体的祖先。线粒体将游离氧气和营养物质转化为**三磷酸腺苷**（简称ATP）。ATP是细胞储存化学能的方式，这些化学能可用于代谢活动，例如生长、运动和细胞复制。这个过程（称为**有氧呼吸**）通过利用游离氧气将碳基分子转化为ATP，并在细胞中储存能量，从而实现。这种高效的能量储存方式使得这类细胞能够在早期地球逐渐富含氧气的环境中存活更长时间。然而，这些生物仍然需要寻找碳源，它们通过异养生物的方式获得，即以其他细胞为食。这些细菌属于有氧原核生物。例如，传染性**金黄色葡萄球菌**是一种以动物细胞为食的细菌，会引起许多细菌疾病和感染。金黄色葡萄球菌是兼性厌氧菌，这意味着细胞可以在有氧的情况下产生ATP，但也可以通过切换到效率较低的无氧呼吸来在缺氧环境中生存。常见的肠道细菌**大肠杆菌**是另一种既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸的原核生物的例子。这些细菌通过吸收氧气，并呼出二氧化碳回环境中而存活。
当林恩·马古利斯通过显微镜观察微小的移动的单细胞**眼虫**时，她发现它们除了有叶绿体，还有线粒体。这些微小的真核生物是一个共同体，每一个都像一艘带着原核乘客的小船，一些可以进行光合作用并制造碳水化合物，而另一些则产生ATP作为能量。在细胞内部，这些叶绿体和线粒体可以进行无性繁殖，就像这些细胞器是一艘配备齐全的船一样，每种类型的细胞器都具有独特的益处，为整个细胞服务。这艘船的核心是细胞核，它被膜保护着，并拥有自己的DNA链，通常成对排列成染色体，像扭曲的双螺旋DNA链一样。细胞核就像这些小船的船长。如果这些独立的细胞器确实是相互合作的原核生物船员，那么它们应该在每个细胞器内都拥有自己的遗传信息。在20世纪60年代，玛吉特·纳斯-埃德尔森和她的丈夫西尔维安在扫描电子显微镜下观察线粒体细胞器，发现它们确实拥有自己的DNA。林恩·马古利斯也记录了叶绿体细胞器内的DNA。真核生物是一个共生生物群体，它们共同努力为更大的细胞提供能量和营养。内共生理论彻底改变了生物学，证明了即使在生命最小的尺度上，例如单个真核细胞，生物群体之间的合作力量也是一个重要的驱动因素。
你的身体是由数百万个拥有经过进化的微小原核细胞器的“小船”组成的，它们共同努力让你拥有阅读这些文字的意识，理解这些思想。每个人都是一个拥有自己无数多“船”的星球。疾病、病痛以及在你细胞内发生的持续战斗都在进行着，就像你体内无数“船”组成的军队一样，你并不知道它们的存在。它们让你呼吸氧气，输送血液，让你渴望食物和饮料，为你的生存服务。想到我们不是一个单一的个体，而是无数个体的集合，这真是不可思议。
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