生命的能源政策

命要維持它的結構,必須持續不斷的從食物中取得能量

能量是生命運作的一個動力

不同型式的能量是可以互變的:電池的電能可以讓電扇轉動,所以電池的化學能變成電能,變成電扇轉動的動能。石頭從懸崖上面掉下來的動能,到了地面就變成熱能消散掉了!這個熱能我們無法朝接利用,必須利用特殊的裝置將動能轉換成我們可以利用的電能像水力發電。

太陽是所有生物世界中能量的能量的源頭,但多數生物仍然不能直接利用太陽能,只有那些能行光合作用的生物可以將太陽的光能轉變成生物能,不能行光合作用的生物可以將太陽的光能轉變成生物能,不能行光合作用的生物的生物就只有直接抑賴那些行光合作用的生物作為能量(食物)的來源。當生物吃下食物後,食物中的能量也必須經過一個代謝的過程,轉換成生物世界中能量的通用貨幣—ATP,然後ATP就可以到細胞裡各處面,去供應細胞中進行各種化學反應所需要的能量。

我們吃進去的食物,肉類代表蛋白質,麵包代表多醣體,奶油代表脂肪,不管是蛋白質、多醣還是脂肪都是巨大分子,它們進入體後必須先分解成為小的組成單元,也就是蛋白質分解成胺基酸、多醣分解成單醣,脂肪分解成為脂肪酸,這些小的組成單元再透過細胞裡面非常複雜的代謝機制產生生命(ATP)。

我們說生命同源,在這地球上所有的生命形式,從細菌一直到人,所用的遺傳密碼完全一樣,除此之外從細菌到人,所使用的能量貨幣,也都是完全一樣的ATP!所有的食物經過代謝以後都產生ATP,ATP就好像我們通用的錢弊一樣,可以來應付生命運作中各種能量的需求!ATP在體內加水分解的過程當中會釋放能量,這個能量的額度固定,大小適中,剛好可以應付生命運作時所需的能量。所以生命在地球上剛剛出現時,原始生命一定是利用環境中的有機分子,像葡萄糖作為能量的來源把有機分子中間的高能量電子取出來,然後利用這個電子製造ATP供細胞使用,但是環境中的有機分如何怎麼能延續到今天呢?所以生命在地球上演化的過程中一定發生了一次驚心動魄的一個革命。

生物世界的基因改造—演化

生物在繁殖的過程中,遺傳資訊會複製的過程雖說非常嚴謹,但難免還是會有一些自發性的錯誤發生,就好像抄書抄錯一樣,另外環境中的化學或物理力量的介入,也會改變DNA上的鹼基而使細胞帶著錯誤的訊息。這些資訊的變化統稱為「突變」。

基因的突變會造成它所指揮細胞製造蛋白質上胺基酸的變化,胺基酸的變化會影響蛋白質的結構與功能,基因突變往往會對生物有不良的影響;不過這些影響有的時候反而會使細胞得到一些新的能力,在特定的環境下較一般野生型的生物更具競爭上的優勢,就此而存活下來。這是生物演化最基本的原理,也就是說在生物族群中,每一個個體所攜帶的遺傳資訊都有少許的變異,造成個體的變異而使得每個個體有不同的表現型。其次個體變異的表現型是可以遺傳到它的後代,在不同的環境中,每一個表現型個體繁殖後代的能力會有差異。

在一個特定的環境中,某種表現型的個體有較好的生殖能力,可以有較多的後代,久而久之這種表現型的個體在整個族群中佔的比例就愈來愈多。這就是所謂的天擇。歸納起來,演化論有三個核心概念就是1.族群中變異的個體;2.變異的表現型可以遺傳;3.環境的天擇。所以在演化的過程中並沒有一般想像中血淋淋地優生劣敗的競爭,而是在特定環境中生殖力轉弱的個體會逐漸沒有後代而已!

當環境中的食物有機分子用完以後,有細菌改變的遺傳資訊,讓細菌擁有一些非常獨特的能力,就是能夠利用太陽光,把光的能量轉變成生物能夠利用的化學能: ATP。這是地球生命史上最重要的一次「基因改造」!這就是所謂的光合作用,細胞首先擁有一些具有吸光能力的蛋白質。這些蛋白質吸收了光的能量,再利用這些能量去激活一些電子。激活的電子就可以透過細胞膜上的「電子傳遞鏈」 逐步一點一點地把能量釋放讓細胞可以利用這些能量去合成ATP。

這裡產生兩個問題1.被光激活的電子從何而來,其次電子傳遞鏈怎麼把激活電子的能力釋放並轉換成細胞公用的能量貨幣—ATP?針對第一個問題的答案很簡單:電子來自氫!氫是最簡單的,也是宇宙中存量最多的元素。它由一個電子與一個質子組成。地球上行光合作用的細菌最初是居住環境中的硫化氫作原料,利用光能分解硫化氫產生硫和以一個質子加一個電子,同時這個電子被激活,帶著能量再進入電子傳遞鏈。高能電子在電子傳遞中一站一站地移動,同時釋放高額的能量,細胞就用這個能量把細胞膜內的質子幫浦到膜外,產生細胞膜內外質子濃度的差。最後細胞膜上有一個ATP合成酶,利用細胞膜內外質子濃度的差所儲存的位能,讓質子自細胞膜外流入膜內時推動ATP合成酶製造ATP。就好像核能發電的電能一時用不了,就把明潭的水從下池幫浦到上池,以水的位能形式儲存。到晚上再把水從上池放出流向下池,推動發電機來使用。地球上所有的生命形式都是利用細胞膜內外的質子濃度差來作為能量的來源。推動ATP的合成。這是另一個「生命同源」的例證。

硫化氫作為光合作用的電子來源畢竟有它的限制,因為它只在火山口等 地存量較多,生命想要變得更豐盛,就必須找到更好的氫的來源。水在地球上存量多而且無所不在。當原始行光合作用的細菌透過基因改造取得了用水當作氫的來源時,生命從此掙脫了居住地的限制邁向一全新的難題與挑戰,那就是該怎麼避免氧的傷害!地球形成之初,大氣中是沒有氧的,因此所有的生命都是在無氧的當行光合作用的生物,可以利用水作氫的來源時,環境中運作。就會產全一個副產品:氧釋放到大氣中,氧的化學性質活潑對生命而言極具破壞力。對安逸於無氧環境中存活的生命來說,氧的出現無疑問是個最大的災難。

氧的出現燃燒了所有可以被氧化的物質,讓地球上所有的生命都陷入絕境!所以這該是地球上最嚴重的一次「空氣污染」。

每一次地球上發生了生命的大災難,都會讓一些身懷「特異功能」的生物脫穎而出。電子傳遞鏈是所有生命共同擁有的套能量轉換機制。不論是光合作用或是分解食物分子取得的高能分子都是經由這一套機制將不同形式的能量轉變成生命共通使用的ATP。高能電子經過電子傳遞鏈將能量釋放完後,還得有個去處!在無氧環境下,生命利用簡單的無機分子像硫等等作為電子接受者。當少數的生物發展出一套特異機制,可以將氧放置在電子傳遞鏈的末端,接受電子加上氫離子形成穩定的水。擁有這套特異機制的生命立刻解決了氧的毒害作用。不僅如此氫加氧形成水的過程中還會釋放大量的能量供生命使用(想想氫加氧點火後產生的爆炸!)。

譬如說,在無氧的情況下生物分解1個葡萄糖分子只能取得2個ATP的能量,在有氧的情況下,分解葡萄糖後產生的水,經由電子傳遞鏈到氧形成水一共可以產生了38個ATP的能力。生物利用氧的過程我們簡稱作「呼吸作用」。現在推測,地球上行光合作用的生物大約出現在22億年前,而18億年前,會利用氧能行「呼吸作用」的生物才緊接著出現。如果我們說光合作用是地球生命史上最重要的一次「基因改造」。那麼獲得利用氧的能力則可稱得是生命透過基因改造所進行的一次「工業革命」!

當地球上的生命透過基因改造得到運用氧的能力,當生命獲得了利用氧的能力以後,我們稱做這是地球生命史上很重要的一次「工業革命」!

在我們身體裡面的細胞,裡面所有的能量代謝都在這個細胞我們叫做「粒腺體」,我們認為這是細胞內的火力發電廠,地球上最早出現的生命形態叫做原核細菌,今天我們每人身上都是屬於這種巨大的,結構非常複雜的,有細胞核的真核細胞,所有食物的燃燒是發生在粒腺體裡面。真核細胞大概是在二十多億年前出現的,從原核細菌如何演化成真核細胞?這是在生物演化史上非常重要的,我們要了解真核細胞的出現就,必然應了解產生能量的粒腺體。從外型來看所有的原核細菌裡面這一層叫細胞膜,而細胞膜外面都有一層很堅固的細胞壁來保護,提供細菌的支撐讓它可以對抗滲透壓力而不致於漲破,細胞膜是油脂分子所形成,是柔軟而脆弱的,同時它對水的滲透性不是很強。

生命與生命之間的對抗是一種常態,地球上最早的生命形態是單細胞細菌,細菌會分泌抗生素來殺死其它細菌,像盤尼西林會抑制細胞壁的形成,碰到盤尼西林的細菌在分裂時新產生的細菌就會沒有細胞壁,細菌就會漲破而死亡。

地球上最先出現的生命形式是生活在水中,沒有細胞核的單細胞生物(原核生物)。原核生物為了抵抗水的滲透壓所以在細胞外建構了一層強固的細胞壁。沒有這層細胞壁的支撐,水份會不斷滲入細胞而把它漲破而死!當單細胞間產生競爭與對抗時,唯一能使用的武器就是分泌一些抗生素到環境中,抑制周圍細胞的生長。抗生去最常見的作用是抑制細胞壁的合成,碰到抗生素的細胞所產生的後代沒有細胞壁的保護就會死亡。這時候細胞也會發展出些反制的武器,像演化出可以破壞抗生素結構的酵素或是發展出可將抗生素排到體外的〝抽水馬達〞等等,當然斧底抽薪的辦法是另起爐灶,發展出一套可以取代細胞壁功能的蛋白質結構來維持細胞形態。這很可能就是今日真核細胞中細胞骨架的起源。

用細胞骨架來取代硬梆梆的細胞壁,立刻讓這些細胞取得了很大的生長優勢,柔軟的身段不僅讓細胞有更多生長的空間,而且移動的更快,最重要的點就是可以把周圍細小的生命整個吞食!當內陷的細胞膜把DNA包裹起來形成細胞核,而在不斷吞食的過程中,將可以利用氧氣的細菌吞入體內但不消化它們反而形成了一種共生的關係進而也得到了利用氧的能力。進一步有些真核細胞還吞食了能行光合作用的細菌而與之共生,被吞入真核細胞內的生命形成了今天所有真核細胞內的「粒線體」以及植物細胞的「葉綠體」,「粒線體」負責了真核細胞內絕大部份的能量代謝,所以又被稱為細胞內的發電廠,外界的食物分子在此被氧燃燒,非常有效率地釋放出巨額的能量,光合作用釋放出的氧,不再是殺傷力強大的「毒氧」反而成了提高能量產生不可或缺的利器。

一批新的生命形式爭脫了原有細胞壁的縛雛從此誕生。而透過這次「整廠輸出的基因改造」,讓這些新的生命形式有了更多樣取得及利用能量的能力,生命已具備了一切,從簡單邁向複雜所需要的條件。剩下來就是等待最恰當時機的來臨!

圖片作者: JPhilipson 圖片來源: http://www.flickr.com/photos/jphilipson/2100627902/