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新闻消息文字稿
00:00:00在出现之前,有骨骼,有建造者。
00:00:09在大脑出现之前,有决策。
00:00:12在我们能够识别出任何生物在这颗星球上行走,游泳或爬行之前,已经有其他东西在进行工程了。
00:00:19它们没有使用工具,也没有蓝图,而是依靠化学、几何学,以及一些我们至今仍未完全理解的力量。
00:00:26它们具备自我建造的能力。
00:00:27此刻,在你的身体里,有数万亿个分子机器正在运作。
00:00:32它们复制DNA,运输物质,产生能量,修复损伤。
00:00:38它们的行动有目的性,它们能够解决问题,它们能在远距离上进行协调。
00:00:43它们每一个都是从原子开始构建的,遵循着我们才刚刚开始解码的规则。
00:00:49我们将这种现象称为生命,但也许我们应该如实称呼它。
00:00:52宇宙的第一个架构,第一台机器,第一次计算,所有这些都发生在如此微小的尺度上,以至于我们完全忘记了这其实是一种工程行为。
00:01:02但这就是我们长期以来忽略的东西。
00:01:04这些分子机器并不是完全成型后出现的。
00:01:07它们是从简单的化学反应中逐步不可能的演变而来的。
00:01:11以某种方式,分子学会了折叠成能够工作的形状,能够自我复制的形状,能够感知、响应和适应的形状。
00:01:21问题不仅仅在于生命是如何开始的,而在于物质是如何学会有目的地运动的,结构是如何学会存储信息的。
00:01:28无生命的东西是如何成为第一个能够建造、维护和自我修复的。
00:01:34今晚,我们将回到化学变成机械的那一刻。
00:01:38回到运动的起源、记忆的起点,以及那些能够自我构建的最初机器。
00:01:44因为如果我们能理解一个分子是如何变成一台机器的,我们或许最终能够理解生命究竟是什么,以及为什么宇宙似乎如此执着于创造生命。
00:01:53这是关于生命、物质以及其间奥秘的故事。
00:01:59像视频一样,在评论区留下你的想法。
00:02:02如果你认为好奇心永远不应停止,就订阅吧。
00:02:17一个在古老水中漂浮的单个分子。
00:02:20它还不会动,至少现在还没有。
00:02:23只是一串原子,可能长达100个单位,通过我们称之为平凡的力量折叠成特定的形状。
00:02:30电磁吸引力、轻贱,以及角度和距离的简单几何关系。
00:02:37它没有任何目的性的迹象。
00:02:39它没有任何机器的特征。
00:02:42但随后发生了某件事。
00:02:44另一个分子靠近过来,第一个分子抓住了它。
00:02:47这不是随机的,也不是偶然的。
00:02:49第一个分子的形状有一个口袋,一个凹槽,这个表面与第二个分子完美契合。
00:02:55当他们接触时,会发生某种变化。
00:02:58会形成化学键,释放出能量。
00:03:02第一个分子完成它的作用后,就会离开并飘走,准备再次进行这样的过程。
00:03:07这是一种催化剂。
00:03:09第一台机器不会思考,不会计划,也不知道自己在做什么,但它确实能完成某些事情。
00:03:15它使反应发生的比随机机会更快,更高效。
00:03:19它完成了工作。
00:03:22而令人惊叹的是,它改变了整个局面。
00:03:27它并不是由任何外部因素设计的。
00:03:30使它能够工作的形态,原子原子本身的特性。
00:03:35这台机器是自我组装的。
00:03:37现在,把这个数量乘以数十亿,甚至数万亿。
00:03:41想象一个充满这些分子的海洋。
00:03:44每个分子都按照其原子组成,折叠成特定的形状。
00:03:47每一种形状都能实现不同的功能。
00:03:51有些分子能加速化学反应。
00:03:53而有些则会减慢反应速度。
00:03:55有些分子能以精确的方式与特定目标结合。
00:03:58另一些分子则会根据环境变化形状。
00:04:02化学在无意识、无智慧的情况下,已经实现了工程学的原理。
00:04:07生命正是在这里开始的。
00:04:09不是在意识的火花或细胞的复杂性中,
00:04:12而是在一个根本的发现中,形状等于功能,结构可以执行工作,
00:04:17分子可以成为机器。
00:04:20但称它们为机器似乎有点不对,不是吗?
00:04:23当我们想到机器时,我们会想到人类的创造物。
00:04:25活塞和齿轮、电机和电路,这些都是有目的设计的,从外部构建的东西。
00:04:32这些分子机器却不同。
00:04:34它们不是被设计出来的,它们被发现了。
00:04:36或者更准确地说,它们自己发现了自己。
00:04:39当正确的原子组合成正确的形状时,这种形状突然就能发挥某种作用。
00:04:45它可以制造东西,也可以破坏东西,还可以移动东西。
00:04:48它能够发挥作用。
00:04:49从这里开始,事情就变得奇怪了。
00:04:51一旦这些分子机器出现,一旦化学领域偶然发现了能够执行工作的结构,
00:04:56其他事情就变得可能了。
00:04:58这些机器开始制造其他的机器。
00:05:01一种能催化某一反应的分子,可以帮助制造出另一种能催化另一反应的分子。
00:05:05这种分子又可以制造出第三种分子,如此循环往复,最终帮助形成了最初的分子机器。
00:05:11反馈循环,网络,机器构建机器的系统。
00:05:16这就是新陈代谢,驱动所有生命的化学反应网络。
00:05:21但这一切,早在生命出现之前就开始了。
00:05:24在那个化学领域里,简单的分子开始相互协作,形成了最初的原始构建网络。
00:05:31关键的见解在于,这一切都不需要设计师的参与。
00:05:38这些机器是物理和化学定律的产物。
00:05:42正确的原子以正确的排列方式组合在一起,形成了正确的形状,而这种形状又执行了正确的功能。
00:05:48这是一个自动的过程,只要有足够的时间和合适的条件,它是不可避免的。
00:05:53但这引出了一个更深层次的问题。
00:05:55如果分子机器能够自我构建,如果结构和功能能够从化学过程中自动产生,那么是什么将非生命体与生命体区分开来的呢?
00:06:05那条线在哪里?
00:06:06大多数人会说,生命是能够繁殖,能够进化,能够有目的地,回应环境的存在。
00:06:13这确实是事实。
00:06:14但所有这些特性都建立在更基础的东西之上。
00:06:18它们建立在分子机器之上,建立在那些无需指令就能工作的结构之上。
00:06:24这些结构仅利用周围的物质和能量就能自我构建和维持。
00:06:29病毒也有分子机器,但如果没有劫持细胞就无法繁殖。
00:06:33细胞拥有分子机器,并且能够繁殖,但这仅仅是因为这些机器在协调的网络中共同工作。
00:06:41一个生物体由数万亿个细胞共同构成。
00:06:44每个细胞都在运行着自己的分子机制。
00:06:47所有这些机制在从纳米到米的各个尺度上进行协调。
00:06:50生与死的界限不是一道墙。
00:06:53它是一个渐变的过程。
00:06:54在那个演变过程的某个阶段,分子机器跨越了一个临界点。
00:06:58它们变得足够复杂,足够协调,能够自我维持,自我修复。
00:07:03自我复制。
00:07:05它们获得了自主性。
00:07:07我们今晚要寻找的,就是那个临界点。
00:07:11不是生命突然出现的那一刻,而是化学逐渐演变成结构,分子逐渐演变成机器,机器逐渐演变成系统的那个缓慢渐进的过程。
00:07:21而系统则是第一个真正可以被称为有生命的东西。
00:07:26我们将追踪这条路径,从简单的化学反应到细胞层面的复杂性,从随机的分子折叠到有目的的构建。
00:07:33从第一个催化剂到如今驱动所有生物体的分子马达。
00:07:38我们会发现,那些自我构建的机器不仅仅创造了生命,它们还创造了之后一切存在的可能性。
00:07:46运动、感知、思考、进化。
00:07:49生物学历史上的每一项创新都建立在分子机器的基础之上。
00:07:55基于这样一个事实,原子能够自行排列成能够工作、构建和维持秩序的形态,而这个宇宙却在不断变化。
00:08:04那么,让我们从所有工程学都始于的最简单问题开始吧,一个分子能够回答的问题。
00:08:10我是什么形状?我又能做什么?
00:08:14让我们从关于机器工作原理的最基本事实开始讲起。
00:08:18形状很重要。
00:08:19钥匙能开锁是因为金属的凸起和凹陷与锁内部的销字对齐。
00:08:25拧刀能转动螺栓是因为它的六边形开口与螺栓的六边形头部相匹配。
00:08:30人类工程学一直都明白这一点。
00:08:33形式追随功能,而功能又取决于形式。
00:08:37但我们创造了那种关系。
00:08:39我们设计了钥匙来匹配锁,设计了扳手来匹配螺栓。
00:08:44分子却没有这样的奢侈。
00:08:46他们无法设计任何东西。
00:08:47他们只能成为其原子组成所允许的样子。
00:08:50然而,他们最终却形成了能够精确执行特定功能的形状。
00:08:55这种精确度可以与人类制造的任何东西相媲美。
00:08:58秘密在于力量。
00:09:01当蛋白质折叠时,而蛋白质是分子机器中的主力菌,在生物系统中执行大部分实际工作的分子,他们的行为并不符合我们通常的理解方式。
00:09:13是的,氨基酸的序列是由DNA决定的。
00:09:17这个序列非常重要。
00:09:19但序列并不能告诉蛋白质应该变成什么形状。
00:09:22它告诉蛋白质需要经历什么样的作用力。
00:09:25每种氨基酸都有其化学性质。
00:09:26有些是输水性的,被水排斥,想要隐藏在结构的内部。
00:09:32其他是氢水性的,被水吸引,想要朝向外部。
00:09:37有些带有正电荷,有些带有负电荷,相反的电荷相互吸引,而相同的电荷相互排斥。
00:09:43有些氨基酸之间会形成强健。
00:09:46其他的则具有柔韧性,使链能够弯曲和扭转。
00:09:49按照特定的顺序将数百个这样的氨基酸连接在一起。
00:09:53将那条链放入水中,奇妙的事情发生了。
00:09:57链开始折叠。
00:09:59输水氨基酸聚集在一起,远离周围的水分子。
00:10:05带电的氨基酸排列自己,以减少排斥力并最大化吸引力。
00:10:10链的不同部分之间形成了轻件,将远处的片段拉近。
00:10:15整个结构塌陷、扭曲、弯曲,最终形成了一个紧凑的三维形状。
00:10:22这一过程发生在毫秒级别。
00:10:24没有思考、没有指导,只是物理和化学在分子层面上发挥作用。
00:10:29最终形成的形状并不是随机的。
00:10:32这是能量最低的形状,是在特定氨基酸序列及其周围环境下的最稳定构型。
00:10:38根据克里斯蒂安,安芬森在20世纪60年代的开创性研究,他因此获得了诺贝尔奖,蛋白质的形状完全由其氨基酸序列决定。
00:10:51如果将其展开,它每次都会重新折叠成中描述的相同形状。
00:10:57那太令人惊讶了。
00:10:58这意味着形状的信息并不是单独存储在某个地方的。
00:11:02它被编码在氨基酸的序列本身以及它们之间的相互作用中。
00:11:07机器的蓝图就是机器本身。
00:11:10但更深刻的是,
00:11:13这个形状不仅仅是稳定的,它是功能性的。
00:11:16蛋白质的折叠方式形成了口袋、凹槽、表面和列系。
00:11:21这些三维特征可以以特定的方式与其他分子相互作用。
00:11:26一个口袋的尺寸和化学性质可能正好适合结合一个特定的小分子。
00:11:33一个凹槽可能沿着DNA的表面排列。
00:11:35一个列系可能使两个分子靠近,降低反应的能量障碍。
00:11:41这种蛋白质并不是通过设计创造的,而是通过化学自组织的盲目过程发现的。
00:11:48并非所有的蛋白质都是静止的。
00:11:51其中一些会移动。
00:11:52它们会根据环境改变形状。
00:11:55而这种形状的变化会发挥作用。
00:11:57正是在这里,化学真正变成了机械过程,结构转化为运动,运动转化为功能。
00:12:04以MioA为例,它是一种负责肌肉收缩的马达蛋白。
00:12:09这是一种肠分子,其头部能够与另一种名为机动蛋白的蛋白质结合。
00:12:13当机动球蛋白与机动蛋白结合时,它会呈现一种特定的形状。
00:12:16接着,ATP-30酸线杆,及细胞的能量货币,会与机动球蛋白结合。
00:12:23这个小分子的加入会触发一个构像变化,导致形状发生改变。
00:12:29机动球蛋白的头部会倾斜,从而拉动机动蛋白纤维。
00:12:33然后,ATP会被水解分解,释放能量,机动球蛋白会恢复到原来的形状,准备再次进行这一过程。
00:12:40这一过程的每一个循环会使机动蛋白丝移动大约10纳米,即11分之1米。
00:12:47单的来看,这只是数百万个机球蛋白分子协同工作的结果。
00:12:52它们共同产生的协调力量使得你的肌肉收缩,从而让你能够移动手、眨眼或蹦血。
00:13:01分子机器不断变换形状,将化学能转化为机械能。
00:13:06每一个动作,每一个形状的变化,都是由最初促使蛋白质折叠的相同力量驱动的。
00:13:15电磁吸引力,轻键作用,输水效应,以及原子的几何结构。
00:13:22当我们说生命是机器时,这就是我们的意思。
00:13:25不是比喻意义上的,而是字面意义上的。
00:13:28这些都是机器,是执行工作的机械系统,它们有运动部件,能够将能量从一种形式转化为另一种形式。
00:13:36只不过,它们是由蛋白质而不是金属构成的,由化学作用驱动的。
00:13:42但称它们为机器也揭示了我们长期以来忽略的一点。
00:13:46机器是可以被设计的,它们也可以被优化,它们可以进化。
00:13:51因为这里有一个关键点,并非所有的氨基酸序列都能折叠成有用的形状。
00:13:56大多数随机序列会折叠成无用的团块,或者根本无法稳定折叠。
00:14:02今天存在的蛋白质,那些在每个活细包中执行所有工作的蛋白质,都是幸存者。
00:14:08它们是那些,恰好能够折叠成有用的形状的序列。
00:14:12这些形状为携带它们的生物提供了某种优势,使它们在生存和繁殖方面更具竞争力。
00:14:19虽然选择已经设计分子机器近40亿年了。
00:14:24这并非有意为之,也没有预见性,而是通过不断筛选出有效的方式实现的。
00:14:31突变会改变氨基酸序列。
00:14:34大多数突变会让情况变得更糟。
00:14:36蛋白质可能无法正确折叠,或者折叠成无法正常发挥作用的形状。
00:14:40那些变异体会被淘汰,但偶尔会有一个突变产生出性能更好或功能不同的蛋白质,从而开启新的可能性。
00:14:49这些变异体会随着时间的推移而传播开来。
00:14:51这一过程产生了极其复杂的分子机器。
00:14:55能够以每11个碱基错误率低于一个的准确度复制DNA的蛋白质。
00:15:02能够逆浓度T度将特定离子泵送穿过膜的蛋白质。
00:15:07能够感知单个光子的蛋白质。
00:15:11能够以每分钟数千转的速度产生旋转运动的蛋白质。
00:15:15而这一切都源于同一个基本原理。
00:15:19形状决定功能。
00:15:21形状是由序列决定的。
00:15:23序列通过突变和选择发生改变。
00:15:27但是仅靠蛋白质还不足以构成生命。
00:15:29它们是工具、机器、引擎。
00:15:32但工具需要组织和管理。
00:15:34机器需要被整合成系统。
00:15:37引擎需要驱动某些东西。
00:15:39复杂性的下一个层次。
00:15:41从化学到生命的下一步,是当分子机器开始相互协作的时候。
00:15:46当它们形成网络时,当一台机器的输出成为另一台机器的输入时。
00:15:53当反馈循环出现并且系统开始自我调节时。
00:15:57这就是新陈代谢。
00:15:59而正是在这里,事情变得真正有趣了。
00:16:02新陈代谢听起来像是一个单一的过程,但实际上并非如此。
00:16:05它是由成千上万的化学反应同时发生的。
00:16:08每一个反应都有特定的酶催化。
00:16:12每一个环节相互影响,形成了一个贯穿整个系统的转化网络。
00:16:17葡萄糖通过一系列十个反应进入系统。
00:16:21它被分解成丙酮酸,释放出的能量被储存在ATP和电子载体中。
00:16:27丙酮酸进入线粒体,转化为乙鲜辅酶酶,参与柠檬酸循环。
00:16:33又有八个反应产生更多的ATP,更多的电子载体,以及二氧化碳作为废物。
00:16:41电子载体进入呼吸链。
00:16:44一系列嵌入在线粒体膜中的蛋白质复合物,通过迸送质子来创建一个梯度,驱动一个名为ATP合成的分子涡轮机,从而产生数千个ATP分子。
00:16:57这只是其中一条途径。
00:16:59还有数百条其他途径用于合成氨基酸、合成脂质、制造合肝酸、分解毒素、储存能量以及调动能量。
00:17:11每条途径都是一系列反应。
00:17:14每个反应都有一种梅催化。
00:17:16每种梅都是一种分子机器,必须精确折叠成正确的形状才能完成其特定的工作。
00:17:23所有这些途径都是相互连接的。
00:17:25一个反应的产物会成为另一个反应的底物。
00:17:28在一个地方释放的能量会在另一个地方被消耗。
00:17:32分子像商品在经济中一样在网络中流动,不断地被合成、分解、修饰。
00:17:39令人惊叹的不仅仅是这种复杂性,而是其中的协调性。
00:17:46细胞并不会一直以全速运行所有途径。
00:17:49那将是一种浪费,甚至可能是有害的。
00:17:52相反,新陈代谢是受到调控的。
00:17:55当能量充足时,消耗能量来构建复杂分子的途径会加速运作。
00:18:00当能量稀缺时,分解分子以释放能量的途径就会占据主导。
00:18:06当某种特定的氨基酸充足时,细胞会停止生产它。
00:18:10当需要这种氨基酸时,生产就会重新开始。
00:18:13这项规定是通过反馈机制实施的。
00:18:16许多酶不仅仅催化反应。
00:18:19它们会对特定分子的存在或缺失做出反应。
00:18:22位于途径起始处的酶可能具有与该途径最终产物结合的位点。
00:18:27当产物积累时,它会与酶结合并改变其形状,从而降低酶的活性。
00:18:34该途径的速率会减慢。
00:18:35当产品被消耗且其浓度下降时,煤会恢复到活性形式。
00:18:41该途径再次加速。
00:18:44负反馈机制与恒温器和巡航控制相同的原理,在分子层面上通过形状变化和结合事件来运作。
00:18:53其他煤被它们的产物激活,形成正反馈循环。
00:18:58有些煤受到完全不同途径中分子的调控,从而在系统之间产生相互作用。
00:19:04结果是一个能够自我调整的网络,能够响应变化的条件,它在没有任何中央控制器指挥的情况下维持平衡。
00:19:13这就是20世纪中叶的研究者们开始称之为稳态的现象。
00:19:18系统在外部波动的情况下仍能保持内部条件的稳定。
00:19:22但这个术语几乎无法完全表达实际发生的现象,这不仅仅是稳定性,这是一种动态平衡。
00:19:30细胞不断地消耗能量和物质,不断地构建和分解分子,不断地进行各种反应,但整体状态仍然稳定,因为所有这些过程的速率都是平衡的。
00:19:42它就像一样,是一个源源不断流动的水源,但形状始终保持不变。
00:19:49只不过在细胞中,形状不是由重力和管道系统决定的。
00:19:53它是由成千上万种酶的特性,底物的可用性,调节因子的浓度所决定的。
00:19:58所有这些因素都在极其复杂的网络中相互作用,我们至今仍在研究其中的细节。
00:20:05这与中的生命起源有着密切的关系。
00:20:08代谢必须先与我们所能识别的任何细胞形式出现。
00:20:12在膜、DNA和繁殖出现之前,必须存在能够自我维持的反应网络。
00:20:18这些网络能够从环境中获取能量并利用它来构建复杂性。
00:20:24最早的代谢网络可能与现今存在的相比要小得多。
00:20:29也许只是一小部分有简单分子催化的反应,这些分子甚至还不是蛋白质。
00:20:34可能是具有催化活性的RNA分子,或者是小钛,甚至是能够加速某些反应的矿物表面。
00:20:42但一旦你有了一个即使是小的反应网络,其中一个反应的产物可以进入另一个反应,并且其中一些反应能产生有用的产物或能量,你就有了能够持续存在的东西。
00:20:55如果其中一个反应产生的分子有助于催化网络中的另一个反应,你就有了自催化现象。
00:21:03这个网络促进了自身的持续存在。
00:21:06这是化学与生命之间的桥梁。
00:21:09不是一瞬间,也不是一道闪电使死物质变得活跃,而是一个渐进的过程。
00:21:15在这个过程中,反应网络逐渐变得自我维持,化学物质组织成能够对抗伤的持续影响的系统。
00:21:23斯图尔特·考夫曼·Stuart Kaufman是一位理论生物学家,他将这些称为自催化集合autocatalytic sets,即由集合中的其他分子催化每个分子形成的分子群。
00:21:36原则上,如果你有足够多不同种类的分子和足够多的可能反应,你可能会自发地得到接近自我维持状态的集合。
00:21:46数学模型表明,一旦化学多样性超过某个预值,这种组织形式可能是不可避免的。
00:21:55生命究竟是如何开始的,我们并不知道。
00:21:59初期的地球是一个混乱的地方,充满了相互竞争的化学反应,不同的能量来源以及无数可能的路径。
00:22:06但在那片混乱中,分子机器开始协同工作。
00:22:11反应开始形成网络。
00:22:14这些网络开始自我维持。
00:22:16一旦这种情况发生,一旦化学反应变成了一个自我维持的系统,其他一切就都成为可能了。
00:22:22因为自我维持的系统能够不断成长。
00:22:25如果网络产生的分子速度超过它们衰变的速率,系统就会扩张。
00:22:30它可以传播。
00:22:32它可以殖民新的空间。
00:22:34如果网络偶尔出现错误。
00:22:36比如分子被复制的不完美,或者有新的分子被加入,那么系统就会发生变化。
00:22:43它可以进化。
00:22:45但有一个问题。
00:22:46在海洋中,自由漂浮的反应网络是脆弱的。
00:22:51产物会扩散开来。
00:22:53有用的催化剂会被稀释。
00:22:55系统无法集中自身的成分。
00:22:58它无法与环境分离。
00:23:01这就是封闭变得至关重要的地方。
00:23:04正是在这里,化学需要创造出新的边界。
00:23:07不是我们通常所想的那种墙壁,极坚硬,不可渗透的屏障。
00:23:11而是膜,具有选择性的边界,能够将某些物质保留在内,让其他物质通过。
00:23:17令人惊讶的是,膜也是另一种能够自我形成的结构。
00:23:20某些分子,尤其是脂质分子,具有双重特性。
00:23:25一端清水,被水吸引。
00:23:28另一端输水,被水排斥。
00:23:31将这些分子放入水中,它们会自发地组织起来。
00:23:35输水端聚集在一起,远离水。
00:23:39清水端朝外,与水环境发生相互作用。
00:23:43最稳定的排列方式是双层结构。
00:23:47两层分子,输水尾部夹在中间,清水头部朝外。
00:23:54如果有足够的这些分子,这种双层结构会弯曲并必合成球体,形成一个囊炮,一个有内外的气泡。
00:24:03不需要任何指令,没有组装过程,只是分子遵循它们的化学性质,边界会自发出现。
00:24:10突然间,内部与外部变得不同了。
00:24:15被困在内部的分子可以在较高浓度下相互作用。
00:24:19产生有用产物的反应不会立即将这些产物释放到周围环境中。
00:24:25该系统能够维持浓度梯度,积累特定分子,创造有利于某些反应发生的条件。
00:24:32这是一个原细胞,还没有生命,但已经更接近生命了。
00:24:36一个自我维护的化学网络,被包裹在自组装的模中。
00:24:41一个能够集中自身成分的系统,能够独立于周围环境进行演化,其内部与外部有明显的区别。
00:24:50一旦有了这种区分,一旦有了自我与环境之间的边界,自主性的概念就出现了。
00:24:56当谈论分子时,自主性是一个奇怪的概念。
00:25:01我们通常将这个词用于具有能动性、决策能力的实体。
00:25:07但在生命早期的背景下,自主性意味着更简单、更基本的东西,保持自身的身份,作为一个与环境分离的独立系统而存在。
00:25:17磨层起到了这个作用。
00:25:21它创造了一个化学环境,其运作规则与外部的化学环境不同。
00:25:26在囊炮内部,浓度可能会有所不同。
00:25:29pH值也可能不同。
00:25:31分子的组合可能是完全独特的。
00:25:34这层磨不仅仅是简单的隔离物。
00:25:36它进行了定义。
00:25:38里面的所有部分都是系统的一部分。
00:25:40外面的所有部分都是环境。
00:25:43但是单平一层磨是不够的。
00:25:44如果边界完全密封,完全不透水,里面的系统就会停滞。
00:25:51它无法引入新的物质。
00:25:53它无法输出废物。
00:25:54它也无法从外部获取能量。
00:25:57这个原生细胞可能会维持其独特的化学性质一段时间,但最终会耗尽资源并停止运作。
00:26:03生命需要具有选择性的膜,而不是绝对的屏障。
00:26:07能够调节物质通过的屏障。
00:26:09再次强调,化学性质仅通过相关分子的特性就自动实现了这一点。
00:26:16支质双层并不是完全不透水的。
00:26:20小型无电荷分子可以穿过水、氧气和二氧化碳。
00:26:25它们溶解在膜的输水层中,扩散过去,然后从另一侧出来。
00:26:29较大的分子或带电的分子则无法轻易穿过。
00:26:35它们会被阻挡住。
00:26:36但是早期的细胞或蛋白质需要比被动扩散更复杂的运输机制。
00:26:41它们需要找到方法来主动运输特定的分子,以便在浓度梯度的作用下将物质泵入或泵出细胞,从而精确控制细胞内部的化学过程。
00:26:51正是在这里,分子机器真正名副其实。
00:26:54因为转运蛋白就像引擎一样,它们利用能量来工作,将分子从浓度高的地方转移到浓度低的地方,对抗所有物质自然扩散和均匀化的趋势。
00:27:06以那甲泵为例,它是动物细胞中最重要的蛋白质之一。
00:27:11它位于细胞膜上,做着从热力学的角度来看似乎不可能的事情。
00:27:16它能够将那离子从细胞内泵出,同时将甲离子泵入细胞内,完全违背了它们的浓度梯度。
00:27:22那在细胞外的浓度比在细胞内的高。
00:27:26甲在细胞内的浓度比在细胞外的高。
00:27:29这个泵使得这两种浓度梯度更加明显。
00:27:31是怎么实现的呢?
00:27:32通过消耗APP来实现的。
00:27:35这个泵在细胞内部结合三个钠离子。
00:27:38APP与水结合并发生水解,断裂了一个磷酸键。
00:27:43该反应释放的能量导致了构像的变化。
00:27:46泵发生形状变化,打开通往外部的通道,并释放钠离子。
00:27:52随后两个钾离子从外部结合,引发另一次形状变化。
00:27:56泵将它们释放到内部,循环再次开始。
00:28:00一个分子通过这些形状变化,逆浓度梯度移动离子。
00:28:05这一过程由化学能驱动。
00:28:07这确实是一个真正的泵,其运作原理是机械性的,
00:28:11只不过是由蛋白质构成的,而不是活塞。
00:28:14它产生的梯度不仅仅用于维持内部秩序。
00:28:16这些梯度具有功能性,神经信号依赖于这些梯度。
00:28:20当神经元放电时,那通道打开,
00:28:23那离子在泵产生的梯度驱动下涌入细胞。
00:28:27这种流入改变了细胞膜两侧的电压,
00:28:31使得更多的通道打开,
00:28:32从而产生一种电信号波沿着轴突传播。
00:28:36思维,感觉,运动,
00:28:39所有这些最终都依赖于维持浓度梯度的分子泵来驱动。
00:28:44但我们有点超前思考了。
00:28:46最早期的细胞还没有电压门控通道或动作电位。
00:28:49它们需要更简单的机制,
00:28:51来吸收中的营养物质并排出废物。
00:28:54而这同样需要一些结构。
00:28:57最早期的运输系统可能只是通道,
00:28:59即通过模型成的孔道,
00:29:02允许特定的分子通过。
00:29:03有些通道始终是开放的,
00:29:08而有些则是受控的,
00:29:09它们会在特定信号的作用下打开,
00:29:12比如电压的变化,
00:29:13分子的结合,
00:29:15机械刺激等。
00:29:16这些系统的复杂性令人惊叹。
00:29:19有些通道具有极高的选择性,
00:29:22能够区分大小仅相差及微小的钾离子和钠离子。
00:29:26这些通道有一个狭窄的区域,
00:29:29即选择性过滤器,
00:29:31其几何结构非常精确,
00:29:33只有钾离子能够通过。
00:29:35钾离子太小了,
00:29:36无法与蛋白质形成生存接触,
00:29:37钾离子无法通过这个通道,
00:29:39钾离子也无法被稳定下来,
00:29:40所以钾离子无法穿过这个通道。
00:29:42钾离子与蛋白质中的特定原子完美结合。
00:29:44钾离子在蛋白质中短暂地与这些原子协调作用,
00:29:47然后继续其运动。
00:29:49这又是一个精确匹配的过程,
00:29:51但是在原子层面上,
00:29:52蛋白质的形状决定了哪些物质能够通过,
00:29:54哪些不能。
00:29:55这种形状是通过进化过程形成的,
00:29:58随机突变经过自然选择的筛选而保留下来的。
00:30:02现在我们已经有了一个清晰的图景,
00:30:05被膜包裹的囊炮内部充满了代谢反应网络,
00:30:08这些膜中嵌入了蛋白质,
00:30:11控制着物质的进出。
00:30:14这是一个能够维持自身独特化学性质的系统,
00:30:17它从环境中获取能量,
00:30:19在内部构建复杂性,
00:30:21同时与外部世界保持分离。
00:30:23这开始看起来像生命了,
00:30:25但它还缺少一些关键的东西。
00:30:28它不具有遗传性。
00:30:30该系统无法自我复制,
00:30:32无法将其结构传递给后代。
00:30:35没有遗传性,
00:30:36就没有进化。
00:30:37没有进化,
00:30:38系统就无法改进,
00:30:40适应,
00:30:40也无法随着时间的推移变得更加复杂。
00:30:44这就是信息发挥作用的地方。
00:30:46因为我们一直在讨论的分子机器,
00:30:48蛋白质并不是自然而然就存在的。
00:30:52它们必须被制造出来。
00:30:53而制造它们需要指令。
00:30:55在现代细胞中,
00:30:57这些指令存储在DNA中。
00:30:59核甘酸碱基线票令,
00:31:01胸腺密定,
00:31:02鸟票令,
00:31:03胞密定的序列编码了蛋白质中氨基酸的序列。
00:31:08遗传密码由称为核糖体的分子机器读取,
00:31:12这些机器按照DNA序列指定的顺序将氨基酸连接在一起,
00:31:16生成能够折叠成其功能形态的蛋白质。
00:31:20这是一个极其精妙的系统。
00:31:22信息存储在稳定的分子中,
00:31:25由机器读取并转化为功能结构。
00:31:28但几乎可以肯定,
00:31:30事情并非如此开始。
00:31:32DNA太稳定,
00:31:34太惰性了。
00:31:35它非常适合长期存储信息,
00:31:37但它本身无法进行任何操作。
00:31:40它需要煤来复制,
00:31:42转录和修复它。
00:31:43而这鲜酶是由DNA编码的蛋白质。
00:31:49它是环状的。
00:31:50你需要蛋白质来处理DNA,
00:31:51但也需要DNA来制造蛋白质。
00:31:54解决这个先有机还是先有蛋问题的可能方案是RNA。
00:31:57RNA可以同时完成这两项任务。
00:31:59它可以像DNA一样存储信息,
00:32:02也可以像蛋白质一样催化反应。
00:32:04尽管它在这两项任务上都不如最终取代它的专门化分子那么出色,
00:32:10但已经足够好了。
00:32:12而且至关重要的是,
00:32:13RNA能够自我复制。
00:32:15在20世纪80年代,
00:32:17Thomas Keck和Sydney Ellman独立发现了一些RNA分子具有催化活性。
00:32:22它们将这些分子称为The Sims,
00:32:25即RNA酶。
00:32:26这一发现使它们获得了诺贝尔奖,
00:32:29并彻底改变了我们对生命起源的理解,
00:32:32因为它意味着RNA可能在蛋白质和DNA之前就已经存在,
00:32:37同时具备信息存储和催化功能。
00:32:41这个现在被称为RNA世界假说的观点认为,
00:32:44早期的生命完全依赖于RNA。
00:32:48RNA分子能够催化各种反应,
00:32:51包括复制其他RNA所需的反应。
00:32:54一个相互作用的RNA网络中,
00:32:57有些RNA分子催化其他RNA的合成,
00:33:00有些则与小分子结合并加速代谢反应,
00:33:04所有这些功能都编码在可以被复制和传递的序列中。
00:33:08这个想法并不像听起来那么离奇。
00:33:11研究人员已经在实验室中制造出了能够部分自我复制的RNA分子。
00:33:18它们发现了能够自我剪接的RNA分子,
00:33:21能够切割和粘贴遗传物质,
00:33:22甚至能够在氨基酸之间形成态剑。
00:33:25RNA具有DNA和蛋白质单独所不具备的多功能性。
00:33:29而RNA在现代生物学中仍然占据核心地位。
00:33:32核糖体这种构建蛋白质的分子机器,
00:33:35主要由RNA组成。
00:33:37转运,RNA将氨基酸运送到核糖体。
00:33:40现时,RNA将遗传信息从DNA传递到核糖体。
00:33:44甚至一些调控系统也利用小RNA分子来控制基因表达。
00:33:49现代生活似乎仍然携带着奇迹于RNA的起源痕迹,
00:33:54就像一座翻新建筑下的旧地基。
00:33:57但无论是否存在RNA世界,关键在于这一点。
00:34:01一旦你有了能够存储信息的分子,
00:34:04并且这些信息可以被复制,就有了遗传。
00:34:07一旦有了遗传,变异就有了意义。
00:34:10如果所有的原始细胞都完全相同,
00:34:14那么哪些存活下来,哪些灭亡就无关紧要了。
00:34:18但如果每个原始细胞都有一组略有不同的RNA序列,
00:34:23一组略有不同的催化分子,
00:34:25那么有些就会比其他更有效率。
00:34:28有些会复制得更快。
00:34:30有些在收集资源方面会更出色。
00:34:32有些会更加稳定,更能抵抗损伤。
00:34:35更成功的个体会产生更多的后代。
00:34:38效果成功的个体将会逐渐消失。
00:34:41如果复制并不完美,
00:34:43如果发生突变,
00:34:44如果序列偶尔发生变化,
00:34:46那么新的变体会出现。
00:34:49大多数改变会让事情变得更糟。
00:34:51但偶尔有一个改变会让事情变得更好。
00:34:53这就是自然选择。
00:34:55一旦自然选择开始发挥作用,
00:34:57一旦出现了遗传变异和差异性生存,
00:35:01进化就开始了。
00:35:02系统开始自我优化,
00:35:04不是通过设计,
00:35:05而是通过不断筛选有效的事物。
00:35:09进化没有预见性。
00:35:11它无法提前规划,
00:35:13看不出它的发展方向。
00:35:14它只对及时压力和中的及时优势做出反应。
00:35:18现在有助于生存的突变会被保留下来。
00:35:21不利于生存或会带来负面影响的突变则会被淘汰。
00:35:25这个系统完全是反应性的,
00:35:28完全缺乏预见性。
00:35:30然而随着时间的推移,
00:35:31它产生的结果却看起来像是经过精心设计的。
00:35:33极其复杂的分子机器。
00:35:37这些系统协调得如此精妙,
00:35:39仿佛是经过精心设计的。
00:35:41这正是生物学的核心悖论。
00:35:44无设计者的设计之际,
00:35:46从无目的的过程中产生目的性。
00:35:50以细菌的鞭毛为例,
00:35:52这是我们所知的最复杂的分子机器之一。
00:35:55它是一个旋转马达,
00:35:56实际上是一个旋转的螺旋桨,
00:35:58驱动细菌的运动。
00:36:00有一个长丝状物,
00:36:01即螺旋桨本身,
00:36:03它连接到一个钩子上,
00:36:04而这个钩子又连接到嵌入细胞膜中的马达上。
00:36:08这个马达由多个蛋白质环组成。
00:36:12质子通过马达中的通道流动,
00:36:14这种流动使得这些环旋转。
00:36:17旋转带动钩子转动,
00:36:19钩子在带动长丝转动,
00:36:21长丝推动周围的液体,
00:36:22从而使细菌向前移动。
00:36:25它每秒可以旋转数百圈。
00:36:28它几乎可以瞬间改变旋转方向。
00:36:31它能响应化学梯度,
00:36:33引导细菌朝向营养物质或远离毒素。
00:36:37这是一个完全由蛋白质自组装而成的功能性旋转引擎,
00:36:41由质子梯度提供动力,
00:36:43并通过感觉系统进行控制。
00:36:45这些感觉系统会将信息反馈给马达。
00:36:48几十年来,
00:36:50这一直被视为不可简化复杂性的例子。
00:36:53这个系统非常复杂,
00:36:55移除任何一部分都会使其失去功能。
00:36:58据称,
00:36:58这证明了它不可能逐渐进化而来。
00:37:01但这种观点误解了进化的机制。
00:37:04你不需要一次性构建整个Flegelum结构,
00:37:07只需要每个中间步骤对某些功能有用即可。
00:37:10当研究人员仔细研究构成Flegelum的蛋白质时,
00:37:14他们发现其中许多蛋白质在其他系统中也有类似物。
00:37:19一些运动蛋白与分泌系统中的蛋白质有关,
00:37:23这些分子泵负责将蛋白质运输穿过膜。
00:37:26这些丝状蛋白与某些细菌用来附着在表面或交换DNA的磷片状毛发状结构有相似之处。
00:37:34这表明,
00:37:35丝状体并不是从零开始创造的。
00:37:38它是有已经存在的,
00:37:39原本用于其他目的的部分拼凑而成的。
00:37:43一个分泌泵被重新利用成了马达。
00:37:47结构蛋白被延长并改造成了丝状物。
00:37:51调控系统被借用来控制旋转。
00:37:54每一项改变,
00:37:56每一次添加都带来了一些好处。
00:37:58也许只是提高了效率,
00:38:00增强了机动性,
00:38:01或者稍微改善了导航能力。
00:38:03经过数百万代的进化,
00:38:05小改进逐渐累积起来。
00:38:07蛋白质复制,
00:38:08变异,
00:38:09承担了新的功能。
00:38:11最初简单的系统变得复杂起来,
00:38:13最终形成了由数十种不同蛋白质组成的旋转马达。
00:38:18所有这些蛋白质协同工作,
00:38:19其精确度仿佛是经过工程设计,
00:38:22但实际上是通过突变和选择的盲目迭代过程自然形成的。
00:38:26所有的分子机器都是这样进化的。
00:38:29并非通过突然的发明,
00:38:31而是通过对现有系统的逐步修改。
00:38:33进化是一个修补匠,
00:38:36而不是工程师。
00:38:37它并不是从一个蓝图开始的。
00:38:39它利用已有的东西进行工作,
00:38:41做出小的改变,
00:38:43保留有效的东西,
00:38:44抛弃无效的。
00:38:46由于进化的机制就是这样,
00:38:48分子机器通常会携带它们历史的痕迹。
00:38:51在不同生物体中,
00:38:54执行相似功能的蛋白质通常是相关的。
00:38:57它们共享一个共同的祖先蛋白质,
00:38:58这个蛋白质经过复制和分化演变而来。
00:39:01有时你可以追溯整个进化路径,
00:39:04看到一个简单的两步反应是
00:39:05如何随着心酶的加入而扩展成十步反应的,
00:39:09以及中间步骤是如何变得更加高效的。
00:39:14结果就是一个活生生的档案。
00:39:16每个细胞都携带着地球上生命的分子历史,
00:39:19这些历史记录在蛋白质序列、
00:39:22代谢途径和遗传代码中。
00:39:25当今维持生命运转的机器,
00:39:26其实建立在数十亿年前就已经存在的机器基础之上。
00:39:30这些机器经过了改造和优化,
00:39:32但本质上仍然保持着联系。
00:39:34然而,
00:39:35当你只关注单个机器时,
00:39:36很容易忽略一个关键点。
00:39:38它们没有一个能够单独工作。
00:39:40细菌的鲜毛之所以能够运作,
00:39:42是因为细胞会产生正确的蛋白质,
00:39:45并按正确的顺序组装它们,
00:39:47生成驱动马达的质子梯度,
00:39:50还能整合感官信息来控制旋转。
00:39:53它们实际上陷入在一个相互依赖的网络之中,
00:39:55一个由相互作用的系统构成的网络。
00:39:58这在每个层面上都是如此。
00:40:00蛋白质依赖于其他蛋白质来正确折叠,
00:40:03被运输到正确的位置,
00:40:05在适当的时间被激活或降解。
00:40:08代谢途径依赖于膜转运蛋白来的引入底物并移除产物。
00:40:13转运蛋白依赖于代谢产生的能量。
00:40:17这是一个循环的,
00:40:19相互关联的网络,
00:40:20每个组成部分都依赖于其他部分。
00:40:23这引发了一个深刻的问题。
00:40:26你如何净化一个网络?
00:40:28你如何改变其中一个部分而不破坏整个系统?
00:40:31答案是,
00:40:32冗余和模块化。
00:40:34生物系统并不是为了脆弱性而优化的。
00:40:38它们有备用路径,
00:40:39替代方案,
00:40:40有多种方式来完成相同的任务。
00:40:43如果一种酶受到损伤,
00:40:45有时另一种具有重叠特异性的酶可以起到补偿作用。
00:40:50如果一条代谢途径被阻断,
00:40:52有时另一条途径可以接管其功能。
00:40:54这种冗余性提供了一种缓冲机制。
00:40:57这意味着突变不会立即导致系统崩溃。
00:41:00对一种蛋白质的改变可能会降低其效率。
00:41:03但如果存在备用系统,
00:41:05生物体仍然能够存活。
00:41:06如果这种变化还能改善其他方面,
00:41:10也许这种蛋白质现在能催化稍微不同的反应,
00:41:13或者在某些条件下表现得更好,
00:41:16那么自然选择就会青睐它。
00:41:18模块化也有帮助。
00:41:21分子机器通常由多个功能单元组成,
00:41:24这些单元半独立且尚可以自由组合。
00:41:27一种蛋白质可能有一个结合DNA的玉,
00:41:32另一个玉能催化化学反应,
00:41:34还有一个玉能响应调控信号。
00:41:37这些玉可以被重新排列,
00:41:40复制或以新的方式组合。
00:41:42进化不必完全从头开始创造全新的蛋白质。
00:41:46它可以重新组合现有的部分。
00:41:49根据关于蛋白质进化的研究,
00:41:52许多现代蛋白质是由分别起源的玉组成的马赛克或拼贴化,
00:41:57这些玉在进化过程中融合在一起。
00:42:01这种模块化架构使得创新变得更加容易。
00:42:04新的玉组合可以产生一种具有新功能的蛋白质,
00:42:07这种新功能是由已经单独起作用的部件构建而成的。
00:42:11因此,进化是通过微调、复制基因、
00:42:14重新排列玉、调整序列以及保留有益的变化、
00:42:18丢弃有害的变化来进行的。
00:42:21由于系统是相互连接的,
00:42:23一个地方的变化可能会在其他地方产生连锁反应。
00:42:26一种能够改善某种酶的突变,
00:42:29可能会增加代谢途径的通量,
00:42:31这可能会产生选择压力,
00:42:33促使链中的下一个酶得到优化,
00:42:35从而为进一步的改造创造机会。
00:42:38这个网络作为一个整体在进化,
00:42:40而不仅仅是孤立的组成部分。
00:42:43随着时间的推移,
00:42:44这个网络变得越来越复杂,
00:42:46路径更多了,
00:42:47调控机制也更完善了,
00:42:49整合程度也提高了。
00:42:51但是单个细胞的复杂性是有限度的。
00:42:55在微观空间内能容纳的信息量是有限的。
00:42:58同时进行的反应数量也是有限的,
00:43:01超过这个限度就会开始出现干扰、
00:43:04冲突,
00:43:04以及不必要的相互作用。
00:43:06生命史上下一个重大转变是从简单细胞
00:43:09向复杂细胞的飞跃,
00:43:11这是通过一个细胞吞噬另一个细胞
00:43:13并选择保留它,
00:43:15而不是消化它实现的。
00:43:17这就是内共生现象。
00:43:19线粒体和叶粒体的起源,
00:43:21这些在现代真核细胞中产生能量的细胞器。
00:43:26线粒体仍然携带着自己的DNA,
00:43:28这是一种小型环状染色体,
00:43:30编码了能量产生所需的一些蛋白质。
00:43:33这是它们细菌祖先的遗留物。
00:43:36大约20亿年前,
00:43:38一种能够进行有氧呼吸的现代细菌的祖先
00:43:41被另一种细胞吞噬了。
00:43:43也许是被捕获的。
00:43:46也许是一种共生关系。
00:43:48但是,
00:43:49这种内化的细菌并没有被分解,
00:43:51反而存活了下来,
00:43:53继续产生能量,
00:43:54并将这些能量提供给宿主细胞。
00:43:57宿主细胞从额外的能量中受益。
00:44:00这种内化的细菌也受益于一个稳定的环境
00:44:03以及获取营养的机会。
00:44:05随着时间的推移,
00:44:06细菌的大部分基因转移到了宿主细胞的细胞核中。
00:44:10细菌逐渐整合到宿主细胞中,
00:44:12成为了一个细胞器,
00:44:14这是生命史上最重要的事件之一。
00:44:18由于线粒体能够高效地产生能量,
00:44:21细胞得以变得更大、更复杂,
00:44:23代谢活动也更活跃。
00:44:25它们能够支持更大的基因组,
00:44:27更多的蛋白质以及更复杂的调控系统。
00:44:31从没有内部隔间的原核生物,
00:44:33Prorotis,
00:44:34到具有细胞核和细胞器的真核生物,
00:44:37Eukaryotes的进化,
00:44:38得益于这种合并,
00:44:40一种分子机器被整合到了更大的系统中。
00:44:44一旦拥有了复杂的细胞,
00:44:46并且有足够的能量来维持更大的体积和更高的复杂性,
00:44:51全新的可能性就出现了。
00:44:53细胞可以专业化。
00:44:55它们可以分化成不同的类型。
00:44:58每种类型的细胞都拥有自己的一套分子机器,
00:45:01各自执行不同的功能。
00:45:02它们可以形成组织、器官和整个生物体。
00:45:05它们可以发展成为多细胞生物。
00:45:08但即使在像人体这样复杂的多细胞生物中,
00:45:12生命的基本单位仍然是细胞。
00:45:16而这些细胞内的基本工作单元依然是分子机器。
00:45:22蛋白质折叠成特定的形状来执行各种功能。
00:45:25酶催化各种化学反应。
00:45:28运输蛋白将分子穿过膜。
00:45:31马达产生运动。
00:45:32这些机制在数十亿年前的第一个原始细胞中就已经存在。
00:45:38如今,它们已经发展、多样化、专业化,
00:45:41但仍然遵循相同的原则运作。
00:45:43形状决定了功能。
00:45:45化学作用驱动运动。
00:45:47信息被复制、继承、修改。
00:45:51机器网络相互协调、
00:45:53自我调节、持续运行。
00:45:54而这一切都源于原子和分子的属性,
00:45:59源于物理和化学定律在微观层面的作用。
00:46:03分子机器有些近乎矛盾的地方。
00:46:07它们在一种规则似乎不同的尺度上运作,
00:46:11在这种尺度上直觉失效,
00:46:13确定性的力学与随机性的界限变得模糊。
00:46:17在宏观尺度上,
00:46:19比如汽车、时钟和传送带的尺度上,
00:46:22机器是可以预测的。
00:46:23推动一个杠杆,它就会移动。
00:46:26转动一个齿轮,它就会旋转。
00:46:28这个运动是平稳且连续的,
00:46:31有足够大的力所控制,
00:46:33以至于热噪声,
00:46:34原子的随机抖动就无关紧要了。
00:46:37但当缩小到纳米级别,
00:46:39也就是蛋白质的大小时,
00:46:41一切都会改变。
00:46:43热噪声就不再可以忽视了。
00:46:45它变得占主导地位。
00:46:46分子不再能在空间中平稳地滑行。
00:46:49它们不断地受到周围水分子的碰撞影响,
00:46:52被来回推动,
00:46:54形成一种被称为布朗运动的混乱状态。
00:46:57一个驱动机动蛋白纤维的马达
00:46:59并不是以稳定的力量进行推动。
00:47:02它是在抽搐、停顿,
00:47:04与周围流体的随机冲击做斗争。
00:47:07只有当你将成千上万的周期,
00:47:09成千上万的马达的运动平均起来时,
00:47:11这种运动才看起来平滑。
00:47:13单个事件是随机的,概率性的,
00:47:15受到机会和化学作用的共同影响。
00:47:19然而,不知怎地,
00:47:20它仍然能够正常运作。
00:47:22尽管有噪音,
00:47:23机器仍然能够正常运行,
00:47:24或许正是因为噪音的存在。
00:47:26热波动不仅仅是需要克服的障碍,
00:47:29它们是机制的一部分。
00:47:31蛋白质并不需要提供
00:47:33所有用于构像变化的能量。
00:47:35热能不断地使它们呈现出不同的形状。
00:47:39蛋白质只需要调整概率,
00:47:41使某些状态比其他状态更稳定,
00:47:43从而引导随机运动朝某个特定方向发展。
00:47:47这是一种与人类所创造的任何工程都截然不同的工程。
00:47:52我们设计机器来抵抗噪音,
00:47:54以方式运行。
00:47:56而分子机器则拥抱噪音,
00:47:58利用它,
00:47:59将其作为能源。
00:48:02它们是概率引擎,
00:48:04将随机运动转化为定向工作的极轮装置。
00:48:07经典的例子是布朗吉伦。
00:48:11这是一个思想实验,
00:48:12帮助阐明了分子马达如何能够在不断受到热噪声冲击的情况下朝一个方向移动。
00:48:19想象一个带有不对称齿的齿轮连接在一根杆上,
00:48:23一个小杠杆可以抓住这些齿并阻止反向运动。
00:48:26如果齿轮由于热噪声而随机晃动,
00:48:30你可能会认为,
00:48:31赶只会让它向前移动而不会向后移动,
00:48:34从而产生单向的静运动。
00:48:36但在平衡状态下这是行不通的。
00:48:38如果所有东西的温度都相同,
00:48:40分子马达也会因热运动而晃动,
00:48:43有时会导致向后的运动。
00:48:45没有静运动,
00:48:46也没有违反热力学第二定律。
00:48:49分子马达通过非平衡状态来克服这个问题。
00:48:53它们与能量源相连,
00:48:54通常是ATP的水解反应,
00:48:57这种反应打破了对称性。
00:48:59能量输入改变了概率,
00:49:00使得中的向前步骤比向后步骤更有可能发生。
00:49:04这个马达仍然有轻微的抖动,
00:49:06仍然会受到热噪声的影响,
00:49:07但总体来说它还是在向前移动。
00:49:10根据物理学家Dina Stumian和Peter Haney
00:49:13在20世纪90年代和2000年代的研究,
00:49:16这种布朗运动马达正是许多分子机器的工作原理。
00:49:20它们并不与热波动抗争,
00:49:23而是利用这些波动,
00:49:24通过化学能将随机运动转化为有用的工作。
00:49:29这具有深远的意义。
00:49:32这意味着分子机器不需要完全刚性。
00:49:35它们可以是柔软的、灵活的,
00:49:38在不同的构型之间不断变化。
00:49:41重要的不是任何特定时刻的结构,
00:49:44而是结构的统计集合,
00:49:46以及处于不同状态的概率。
00:49:48这也意味着分子机器可以非常高效。
00:49:53因为它们体积小,
00:49:54并且在热能起重要作用的范围内运行,
00:49:58所以它们能够以接近热力学极限的效率将化学能转化为机械能。
00:50:03宏观引擎,
00:50:04比如汽车引擎和发电厂,
00:50:06大部分能量都以热量的形式浪费掉了。
00:50:09分子马达的效率可以达到70%,80%,甚至90%,
00:50:15几乎能够从驱动它们的化学反应中提取出所有可用的有用能量。
00:50:21而且,它们在室温下的水中运行,
00:50:24使用的反应足够温和,
00:50:26不会损坏这些马达本身。
00:50:28没有燃烧,
00:50:29没有高压蒸汽,
00:50:31也没有会磨损需要更换的运动部件。
00:50:33只有蛋白质在经历由化学作用驱动的构向变化,
00:50:39而这些变化又受到最初使它们折叠的相同力的稳定。
00:50:44但效率并不是唯一值得注意的地方。
00:50:47还有速度和精确度。
00:50:49有些分子机器的运行速度惊人得快。
00:50:53DNA聚合酶这种复制DNA的酶,
00:50:56每秒可以添加1000个核干酸,
00:50:59错误率大约是11个碱基中只有一个错误。
00:51:02那不仅速度快,
00:51:04而且准确无误。
00:51:06这种酶必须从四种不同类型的核干酸中选择正确的核干酸,
00:51:10与模板链匹配,
00:51:12形成化学键并将其添加到正在增长的链上,
00:51:15然后移动到下一个位置。
00:51:17全部都在一毫秒内完成。
00:51:19而且在整个过程中保持足够的精确度,
00:51:22以确保遗传信息在世代间不被破坏。
00:51:25它是如何实现这种精确度的呢?
00:51:26通过多种机制的结合。
00:51:29基础配对,
00:51:30线票令与胸线密定,
00:51:32鸟票令与包密定之间的配对提供了初始的选择性,
00:51:35因为正确的配对形状在酶的活性位点上比错误的配对更契合。
00:51:40但仅此还不够。
00:51:41酶还具有校对功能。
00:51:44如果有错误的核杆酸被纳入,
00:51:46酶可以检测到这种不匹配,
00:51:48改变方向,
00:51:49切除错误的核杆酸,
00:51:51然后重新尝试。
00:51:53一些聚合酶甚至有一个独立的校对结构域,
00:51:56即三到五个外切核酸酶活性,
00:51:58它在生长中的链后面进行检查,
00:52:00剔除错误。
00:52:02酶在聚合模式和外切核酸酶模式之间切换,
00:52:06不断构建和检查,
00:52:08通过冗余的质量控制,
00:52:09确保高保真度。
00:52:10这是一条具有内置质量保证的分子装配线,
00:52:15其运行速度让任何人类制造过程都相形建筑。
00:52:19错误率极低,
00:52:20以至于复制可以连续进行数十亿个检济,
00:52:22而对错误毫无察觉。
00:52:24而DNA聚合酶并不是唯一的例子。
00:52:26核糖体也能以类似的速度和准确性将遗传信息翻译成蛋白质。
00:52:31他们一次读取三个检济的信使,RNA,
00:52:34然后选择携带正确氨基酸的转运,RNA,
00:52:38促进太剑的形成,
00:52:40并移动到下一个密码子。
00:52:42细菌中每秒合成20个氨基酸。
00:52:45在类胡萝卜素中速度稍慢,
00:52:48但考虑到任务的复杂性仍然非常快。
00:52:51与DNA聚合酶一样,
00:52:53核糖体也有校对机制。
00:52:55正确TRNV的初始选择,
00:52:57部分基于TRNV反密码子与MRNV密码子之间的剪机配对。
00:53:03但核糖体也会检查匹配情况。
00:53:05如果有误,TRNV更有可能在太剑形成之前分离。
00:53:11即使剑形成了,
00:53:12和糖体也能检测到不匹配的情况并排出错误的TRNV。
00:53:16虽然此时,
00:53:17氨基酸已经整合到了生长中的链中。
00:53:20因此,
00:53:21错误无法逆转,
00:53:22只能降低其发生的频率。
00:53:24翻译的准确率,
00:53:25大约是每一万个氨基酸出现一个错误。
00:53:29虽然不如DNA复制精确,
00:53:32但仍然足够高,
00:53:33大多数蛋白质大部分时间都能正确折叠。
00:53:37这种速度与精确度的结合使得生命系统如此可靠。
00:53:41你的细胞不断合成数千种不同的蛋白质,
00:53:45在细胞分裂过程中复制DNA,
00:53:48转录基因,
00:53:49翻译MRNA。
00:53:51这些过程中的任何一个都可能出现问题。
00:53:53突变可能会累积。
00:53:56蛋白质可能会错误折叠。
00:53:58但是这个机制足够好,
00:54:00足够快,
00:54:00足够精确,
00:54:01以至于错误很少发生。
00:54:03当这些问题出现时,
00:54:05通常会有备份系统,
00:54:06修复机制和质量控制检查点。
00:54:09分子机器并不完美。
00:54:12进化不会产生完美的事物。
00:54:14它会产生足够好的东西,
00:54:15然后不断改进以追求更好的效果。
00:54:18但今天存在的这些机器是数十亿年进化的结果,
00:54:22在这数十亿年中,
00:54:24那些表现稍好的变体会胜过那些表现稍差的变体。
00:54:29这种进化过程仍在继续。
00:54:31每一种现存的生物体都携带着与其祖先略有不同的分子机器,
00:54:36同时也与其他生物体中的分子机器有所不同。
00:54:40不同细菌的菌毛结构并不相同。
00:54:42有些菌毛旋转方向为顺时针,
00:54:45有些为逆时针。
00:54:46有些菌毛具有多个细丝。
00:54:48这些菌毛的马达蛋白数量也各不相同。
00:54:51这种多样性反映了不同的进化路径,
00:54:53以及针对如何在流体中移动这一基本问题所采取的不同解决方案。
00:54:58即在一个生物体内,
00:55:00分子机器也不是完全相同的。
00:55:02人类细胞表达数千种不同的蛋白质,
00:55:05其中许多是同一基本机器的变体,
00:55:08适应了不同的环境。
00:55:10存在多种类型的机球蛋白,
00:55:12每种都专门用于不同类型的运动。
00:55:15还有多种类型的机动蛋白,
00:55:17这些分子马达沿着微管移动,
00:55:19在细胞内运输物质。
00:55:22也有多种类型的ATP合成酶,
00:55:24它们适应了不同的能量需求。
00:55:26这种功能多样性,
00:55:28这种基于共同主题的变异增值,
00:55:30是生命的一个特征。
00:55:33这正是使生物能够适应不同环境,
00:55:35占据不同生态位,
00:55:36实现专业化并利用各种机会的原因。
00:55:40而这一切都源于同一个源头。
00:55:42分子机器通过突变和选择进行进化,
00:55:46随着时间的推移,
00:55:47不断多样化并完善。
00:55:50但进化不仅仅改变单个机器本身,
00:55:53它还改变了它们之间的关系,
00:55:56网络结构,
00:55:56以及这些机器之间的协调和调节方式。
00:56:01正是在这里,
00:56:02事情变得真正复杂起来。
00:56:04因为细胞不仅仅是一群分子机器的集合,
00:56:08它是一个由这些分子机器相互作用、交流,
00:56:12并自行组织成功能层次结构的社会。
00:56:15想想细胞到底是什么?
00:56:17它不是一个有中央办公室发号施令的工厂。
00:56:20没有一个CEO般的细胞核来指挥细胞制该做什么。
00:56:24它没有自上而下的控制,
00:56:26也没有被执行的总体规划。
00:56:28然而,细胞已非凡的协调性运作。
00:56:32成千上万的不同分子机器同时工作,
00:56:35不知怎地,
00:56:36都在为同一个总体目标做出贡献。
00:56:39保持细胞的存活,
00:56:40构建所需的结构,
00:56:42分解需要分解的物质,
00:56:44响应变化,
00:56:45适应环境。
00:56:46这种协调性是从底层开始的。
00:56:50来自分子之间的局部相互作用,
00:56:52来自反馈循环和调控网络,
00:56:54来自分子机器不仅执行任务,
00:56:57它们还会根据环境做出反应这一事实。
00:57:00煤的催化反应速率并不会在任何条件下都保持不变。
00:57:05它的活性取决于底物浓度,
00:57:08调节分子的存在与否,
00:57:10PH值以及温度,
00:57:11还取决于辅因子的可用性。
00:57:16这种煤会感知其周围环境,
00:57:19并据此改变其行为。
00:57:21当这种煤有成千上万时,
00:57:23整个系统就会实现自我调节。
00:57:27产物的高浓度会抑制产生该产物的途径。
00:57:31低浓度则会消除这种抑制作用。
00:57:34系统能够自动调整以维持平衡,
00:57:36这并非因为有什么外部因素在监控整个系统,
00:57:40而是因为每个组成部分都在根据局部条件做出反应,
00:57:43从而无意中稳定了整个系统。
00:57:46这是一种分布式智能。
00:57:48这里的智能不是指意识或思维,
00:57:51而是指适应性问题解决能力,
00:57:53即一个能够在没有中央协调的情况下适当应对挑战的系统。
00:57:58越是研究细胞系统,
00:58:00就越能发现这种模式。
00:58:02基因表达受到转路因子的调控。
00:58:06转路因子与DNA结合,
00:58:08控制基因的转路位置。
00:58:10但是,
00:58:11什么控制着转路因子呢?
00:58:13其他蛋白质。
00:58:14以及是什么控制了来自细胞外的信号,
00:58:17代谢状态,
00:58:19基因编码的途径本身的反馈。
00:58:21这是一个相互调节的网络,
00:58:24在这个网络中,
00:58:25每个组成部分既是控制者,
00:58:27也是被控制的对象。
00:58:29即使是细胞分裂,
00:58:31生物学中最精心调控的事件之一,
00:58:34也是通过分布式机制来运作的。
00:58:37有一个检查点系统,
00:58:38它阻止细胞在DNA复制完成,
00:58:41染色体正确排列之前进行分裂,
00:58:44直到一切准备就绪。
00:58:47但这个检查点并不是单一的监控蛋白质。
00:58:50它是由多种蛋白质组成的网络,
00:58:52这些蛋白质监测着过程的各个方面,
00:58:54所有这些信息都会影响是否继续进行的决策。
00:58:57如果DNA受损,
00:58:58检查点,
00:58:59music,
00:59:00蛋白会停止细胞周期并激活修复系统。
00:59:03如果染色体没有正确的附着在纺锤体上,
00:59:06不同的检查点蛋白会阻止它们分离。
00:59:08只有当多个独立的检查都通过后,
00:59:11细胞才会继续前进。
00:59:13这是在分子层面上的一致性决策过程。
00:59:15令人惊讶的是这种机制的稳健性。
00:59:18你可以敲除单个蛋白,
00:59:20破坏特定的通路,
00:59:22但细胞通常会进行补偿。
00:59:24备份系统启动了,
00:59:26被选路线被激活了。
00:59:28网络在运行过程中自动重新连接,
00:59:31即使某些组件出现故障也能保持功能。
00:59:34这种稳健性并非偶然。
00:59:36这是经过精心选择的。
00:59:38那些细胞机制脆弱的生物无法存活,
00:59:41因为它们可能会因为单一突变或单一环境压力就导致系统崩溃。
00:59:48幸存下来的那些都是具有冗余性、
00:59:51灵活性以及足够强的网络韧性的系统能够承受干扰。
00:59:55但是韧性也是有限度的。
00:59:57如果施加过大的压力,
00:59:59破坏了太多系统,
01:00:00网络就无法进行补偿了。
01:00:03细胞就会死亡。
01:00:03在多细胞生物中,
01:00:05死亡的细胞会成为一个问题。
01:00:07这些死亡细胞需要被清除、
01:00:09回收或替换。
01:00:10因此,
01:00:11细胞进化出了自我毁灭的机制。
01:00:13这就是凋亡、
01:00:14程序性细胞死亡。
01:00:17一系列分子事件,
01:00:18细胞通过这些事件系统的自我分解,
01:00:21破坏自身的DNA和蛋白质,
01:00:23将所有物质包装成整齐的小囊炮,
01:00:26临近的细胞可以吞噬并消化这些囊炮。
01:00:30听起来很残酷,
01:00:31但这至关重要。
01:00:32在发育过程中,
01:00:34程序性细胞死亡塑造组织结构,
01:00:37切除临时结构,
01:00:38开辟空间。
01:00:40胚胎手指之间的连接组织通过雕亡而消失。
01:00:44在发育中的大脑中,
01:00:45多余的神经元会被修剪掉。
01:00:47系统会生成超出所需的神经元,
01:00:50然后像雕塑加雕刻石头一样去除不必要的部分。
01:00:54即使在成年人体内,
01:00:55细胞雕亡也维持着平衡。
01:00:56那些受到过多损伤,
01:00:59未能通过质量检测的细胞,
01:01:01显示出癌变的迹象。
01:01:03这些细胞应该会触发自身的死亡,
01:01:06以防止对机体造成潜在伤害。
01:01:08当这个系统失效时,
01:01:10当细胞不再对细胞凋亡信号做出反应时,
01:01:12就会发生不受控制的生长,
01:01:14从而引发癌症。
01:01:16因此,
01:01:16即使是死亡,
01:01:17甚至是毁灭,
01:01:18也是这个机制的一部分。
01:01:20它们是被调控的,
01:01:21被控制的,
01:01:22并且融入了更大的系统之中。
01:01:25分子机器不仅仅用于构建和维护,
01:01:28必要时还可以用于拆卸。
01:01:30这就是分子机器的全貌,
01:01:32它们是什么?
01:01:33它们在生命系统中是如何运作的?
01:01:38它们不是孤立的工具。
01:01:40它们是嵌入在反馈循环中的网络组成部分,
01:01:44通过分布式控制进行协调。
01:01:46它们建造、维护、调节、修理,
01:01:51必要时还会拆除。
01:01:53而这一切都源于化学,
01:01:55源于原子按照特定方式排列形成能够执行功能的结构。
01:01:59这些结构会随着环境的变化而改变。
01:02:03来自于那些能够自我组织,
01:02:05不断进化,
01:02:06即便在伤的持续作用下也能持续存在的反应网络。
01:02:10生命就是一种分子机器。
01:02:12这不是比喻,
01:02:13也不是类比,
01:02:14每个细胞内部发生的一切都是机械过程。
01:02:21分子在移动、结合、催化、运输、传递信号。
01:02:26这些机器由蛋白质而非金属构成,
01:02:29在水中运作而非油中,
01:02:31由ATP而非电力驱动。
01:02:33但这并不意味着它们不具机械性。
01:02:37这使它们成为一种不同的机械形式,
01:02:41适应了纳米级环境,
01:02:42在那里热噪声显著,
01:02:44精度以I为单位衡量,
01:02:46速度以微秒计。
01:02:47而最深刻的是,
01:02:51这些机器是自我构建的。
01:02:55没有设计师绘制它们的蓝图,
01:02:57也没有工程师组装它们的部件。
01:03:00这些机器源于物质的属性,
01:03:02源于原子之间的相互作用,
01:03:05源于分子折叠、
01:03:06结合和反应的方式。
01:03:08进化并非通过预见或意图发现它们,
01:03:12而是通过变异和选择的盲目迭代过程实现的。
01:03:15偶然折叠成有用形状的分子存活了下来。
01:03:21偶然能够自我维持的网络得以延续。
01:03:24能够通过变异自我复制的系统,
01:03:27进化成了更复杂的系统,
01:03:29这些系统又进化成了细胞,
01:03:32细胞进一步进化成了生物体,
01:03:34最终形成了整个宇宙。
01:03:40这些机器不仅创造了生命,
01:03:42还创造了复杂性的条件、多样性、智能
01:03:45以及和意识。
01:03:46你曾经有过的每一个想法,
01:03:48每一个动作,
01:03:50每一次感受到的,
01:03:51都依赖于分子机器的运作。
01:03:53蛋白质通过确认性变化循环,
01:03:56离子梯度由泵维持,
01:03:58信号在由数万亿个细胞构成的神经元网络中传递,
01:04:02每个神经元都运行着自己的分子机器。
01:04:05我们与这些机器并非分离存在,
01:04:09我们就是由这些机器构成的,
01:04:11我们的存在完全依赖于蛋白质的正确折叠,
01:04:14依赖于酶催化的反应,
01:04:16依赖于转运蛋白移动分子,
01:04:19依赖于马达产生运动。
01:04:20停止了分子机器的运作,
01:04:24就什么都不会剩下。
01:04:26没有新陈代谢,
01:04:27没有结构,
01:04:28也就没有生命。
01:04:29当我们试图定义生命与非生命之间的界限时,
01:04:33也许答案比我们想象的要简单。
01:04:38生命就是当分子机器协同运作时发生的现象。
01:04:41当化学物质自行组织成能够自我维持,
01:04:45自我复制的进化系统时。
01:04:47当物质仅利用物理学和化学提供的规则,
01:04:50来学习建造,
01:04:52维持和适应时。
01:04:54这些机器是他们自己建造出来的。
01:04:56在自我建造的过程中,
01:04:58他们也创造了其他东西。
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