【未解之謎】挑戰進化論的微生物界

大家好,我是扶搖。歡迎和我一起探索未解之謎

今天帶大家參觀一下微觀世界吧。

先來給大家介紹一個單細胞生物,就是中學的時候在顯微鏡下觀察過的草履蟲。大家都不陌生吧?

草履蟲的肚裡乾坤

這種肉眼看不到的小生物雖然只有一個細胞,但卻麻雀雖小,五臟俱全。體內兩個細胞核一個控制新陳代謝和生長;另一個負責遺傳和生殖。體表的表膜負責呼吸機能,食物則是利用口邊的纖毛捕來,再用體內產生的酵素進行消化吸收。遍布全身的絨毛還可以像腿一樣幫草履蟲自由移動身體,也就是具有運動的功能。

在課本中,草履蟲被定義為原生生物,是作為最低級、最原始、最簡單的一類生物來介紹的。它所屬的原生生物出現在18.5 億年前的元古宙時代,可以說非常古老了。然而這種通體只有一個細胞的原始生命卻已經具備一個高級生命的所有生命活動,就是運動、消化、呼吸和繁殖。

而比草履蟲更為原始、更低級的細菌一樣有著複雜的系統。在現在普遍接受的生命演化歷程表中,細菌最起碼33億年前就出現了。跟草履蟲一樣,細菌也是單細胞生物,不過它們更微小,連細胞核都沒有。然而細菌一樣能實現新陳代謝、個體繁殖和運動等生命的基本功能。

細菌的大長腿──鞭毛

來給大家介紹一下細菌的運動功能吧。大家都知道細菌雖然比塵埃還微小,但是傳播速度非常快。那細菌是靠什麼跑得這麼快的呢?告訴大家,沒什麼祕密,靠的就是一條大長腿,長在細菌細胞表面的細長細長的蛋白質分子,學名叫做鞭毛。

細菌鞭毛是螺旋狀的細絲,每根細絲的基部帶有一個可以順時針或逆時針轉動的旋轉馬達帶動細菌以螺旋狀的運動軌跡前行。這種馬達是一種細菌體內的蛋白,非常小,大小只能以奈米來計算,然而它的結構卻跟汽車發動機差不了多少,定子、轉子、主軸、軸瓦、連動杆、調節與制動系統等部件一個都不少。而且控制精準,每秒鐘能旋轉300─2400圈,而在這樣的高速下居然還能在四分之一圈內剎車並且調轉方向。性能好得都快趕上外星人的飛碟了。

鞭毛不但旋轉速度快,奔跑能力也快得驚人。常見的細菌鞭毛1秒鐘可以跑出自己身長60倍─100倍的距離。這是個什麼概念呢?咱們來跟陸地上跑得最快的動物獵豹做個比較吧。獵豹體長1米2左右,奔跑速度最快可達到每小時100公里左右。那麼一隻身長1米2的細菌在鞭毛的驅使下能跑多快呢?簡單作個計算,就是一小時260─430公里,能把獵豹遠遠甩在後面。

如果一開始我不告訴你咱們這裡介紹的是細菌的一個小零部件,而是一款概念型超級跑車,您會不會相信呢?事實上,細菌鞭毛被認為是自然界中最高效、最精密的分子引擎和奈米機器,也是最複雜的蛋白質機器之一。而由於它高度的複雜性,鞭毛馬達一直是微生物學、生物化學、生物物理和結構生物學研究的難點,因為關於鞭毛是如何從簡到繁進化而來的這個問題,按照達爾文進化論根本沒法解釋。

為什麼呢?你看鞭毛發動機總共有50個部件,由差不多有30種不同的蛋白質分子構成,這些必須按照內部特定的機制一起系統協調地工作,大家各司其職又相互合作,才能正常運轉。這就像一隻瑞士手錶,缺少任何一個零件,就無法正常運轉,它只能是按照嚴格工序被製造和安裝起來的,不可能是自發隨機演化而來。

這麼說吧,如果埋在深山裡的鐵礦石能在大自然的某個偶然因素下自發冶煉成鐵,然後鐵塊們又能自動切割加工成精密的零部件,再然後呢,機緣巧合之下螺絲自動能找上螺帽,齒輪能自動咬合,各個零部件自動歸位,組裝成一個電動馬達。如果這可以實現的話,那麼理論上講,細菌鞭毛也能從沒有生命、雜亂的無機化合物中演化出來。

LUCA──生命的共同祖先?

如果細菌鞭毛還不足以令人震撼的話,咱們不妨再來看一下比細菌更原始的生命吧。目前普遍接受的假說是,注意,只是假說,科學界目前還沒有定論,這個假說是說,地球在大爆炸中形成後,慢慢冷卻成為一個宜居星球。簡單的有機化合物在這期間就合成可自我複製、自我組裝、自我催化的分子,直至細胞膜的出現,這就開始有生命了。

這種生命稱為最後普通的共同祖先(The last universal common ancestor,LUCA)。根據維基百科介紹,LUCA估計是生活在約40億年前的單細胞生物,生活在靠近海底岩漿流的深海噴口的高溫水域中。為什麼說是估計呢?因為到目前為止,科學界還沒有可靠的化石可以讓我們一睹LUCA的芳容。所以LUCA目前來講,只存在於科學家們的想像之中。

然而,就算只是概念型的生命,科學家們也都認為,LUCA產生的時候就已經有數百個基因編碼了。因為要完成自我複製和自我組裝,也就是繁殖和生長這兩樣生命必需的功能,一定要有一套掌控遺傳密碼的細胞結構,比如信使RNA、轉運RNA、核糖體等,然後按DNA編碼組建蛋白質。這些蛋白質包括可以進行無氧呼吸的酶,還有複製遺傳物質的DNA聚合酶等等。

在這些蛋白構建的框架中,維持新陳代謝的消化系統和呼吸系統,還有能讓生命世代延續的生殖系統就形成了。這三套系統必需從一開始就出現而且同時存在才能使一個個體成為活的生命。

而這,也是生命起源研究者面臨的挑戰,就是如何用演化的理論,也就是基因突變和隨機事件這兩大工具來解釋這樣一個複雜而又緊密聯繫的系統的產生。因為系統中每個部分都缺一不可,都是生命能正常產生的必要條件。

事實上,剛才提到的生命演化歷程表,雖然現在被普遍接受,也用在了教科書裡,不過其實這張表,包括它背後的生物演化論,在科學界還都只是作為假說存在的。對於生命到底是如何產生的,是不是真的按照進化論的思路是由簡入繁演化的,科學界目前其實還沒有定論。

不能簡化的複雜性

所以,有不少科學家就針對這個問題對進化論進行了挑戰。美國里海大學生物化學教授邁克‧貝赫(Michael J. Behe)就直接提出了這樣一個概念:「不能簡化的複雜性(Irreducible Complexity)」就是複雜系統不可簡化,從一開始就必須高度複雜,不可能由更簡單的系統逐漸進化而來。

這個開創性的概念是貝赫在他1996年出版的著作《達爾文的黑匣子:生物化學對進化論的挑戰》(Darwin’s Black Box: The Biochemical Challenge to Evolution)一書中提出來的。書中不但用細菌鞭毛做例子,也討論了幫草履蟲實現運動機能的纖毛,還有血液凝固、免疫系統的運作等等例子來證明生命系統的複雜性。

達爾文曾經在《物種起源》中總結說:「如果能夠證明,確實有某種複雜的器官,它不可能是由無數次的、連續的、輕微的修改而形成,那麼我的理論將徹底崩潰。但是我找不到這種情況。」(《物種起源》,1859年,第158頁)。貝赫說,現在我找到這麼多證據了,那你這個進化論還站得住腳嗎?

達爾文自然是沒法從棺材裡爬出來應對啦。不過達爾文的擁護者們一個個都跳出來了,指責貝赫說他的理論邏輯上有重大的缺陷,他的書是「偽科學垃圾」。然而在重重包圍之中,貝赫的書還是獲得了商業上的成功,成為了暢銷書,甚至還被評為20世紀百大非小說類書籍之一。這說明什麼呢?不管科學界怎麼吵吧,老百姓們對貝赫的理論還是認可的。

而且,貝赫也不是孤軍作戰。這不,法學教授菲利普‧約翰遜(Philip E. Johnson)也在1990年代出版了《審判達爾文》(Darwin on Trial)這本書,引經據典挑戰進化論。

化石界的時空錯亂

接下來,咱們來看一下化石方面的證據吧。

書中提到說,美國懷俄明州的大角羊盆地(BighornBasin)有埋藏了500萬年連續不斷的化石紀錄,非常完整地記錄了這段時間內哺乳動物在地球上出現並開始征服全球的情況。

古生物學家們一開始挺高興的,以為肯定能找到這500萬年中生物演化的確鑿證據。然而隨著發掘的進行,他們卻越來越困惑。因為他們不但沒找到任何化石可以清楚顯示一種生物逐步轉變為另一種生物,反而發現很多被認為是祖先的物種,竟然跟被認為是「後代」的物種同時存在。然而,根據進化論「適者生存」的理論,一種生物是因為不適應環境才被迫進化的。那麼照此推理,當「後代」物種出現後,不適應環境的祖先們就會被淘汰,從這個世界上消失。所以它們是不可能跟後代們同框的。如果二者共存,要不就是時空錯亂,要不就是進化論站不住腳。

而類似的挑戰也出現在了生物界的共生現象中。現在在生物學普遍接受的內共生學說的創建人、美國生物學家琳‧馬古利斯(Lynn Margulis)在她的《獲得基因組》(Acquiring Genomes: A Theory of the Origins of Species)這本書中就介紹了一種有趣的共生現象。

有一種跟草履蟲差不多原始的單細胞原生動物叫擬游仆蟲。這種蟲子是一種長度以微米計算的微生物。蟲子的表面共生著一種細菌。當擬游仆蟲感覺到有捕食者接近時,這些細菌就會放出暗箭射向敵人,保護蟲子。這種武器是一種像弩箭一樣的絲狀蛋白質。研究人員在實驗室發現細菌和蟲子離開彼此都沒法生存。他們試圖把細菌從蟲子身上分離出來進行單獨培養,但都以失敗告終。像這樣的共生現象在原生物界比比皆是。

那麼問題來了。如果生命真的是從更原始的生命一步步進化而來,那麼這兩個誰也離不開誰的生命在遇到彼此之前又是怎麼生存的呢?如果它們遇到之後才開始合作,那麼按照進化論基因隨機突變的理論,這兩個有著兩套不同基因的生命是怎樣各自隨機突變,最後奇蹟般地成為盟友的呢?又或者,它們本來就是同時被創造出來的呢?

今天的故事就講到這裡吧。在一個小小的人體細胞中就有幾萬到幾十萬個種類不同的蛋白質分子在DNA的控制下各司其職,總數量可以高達幾千萬個。細胞每隔幾分鐘到一小時就分裂一次,這種生產效率依賴於細胞內很多先進發達的「生產線」,就像是一個集智能化、信息化、數字化為一體的現代化大型工廠,有車間、生產設備、包裝處、控制中心、通訊平台、運輸系統、廢料處理站等功能完備、分工明確的子系統。而人體的複雜程度還要超過細胞不知道多少倍。

那麼您覺得我們人類,會是從單細胞的小蟲子進化而來的嗎?

未解之謎,我是扶搖。我們下回見。

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責任編輯:李梅#

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