生命演化进入快车道

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

上节课，也就是自我复制单元的结尾，我给你留了一个思考题：我们讲过了生命的三大元素——物质、能量和自我复制，但是这三者是如何被协调并整合在一起的呢？

换句话说，如果把生命比作大厦，现在有了建筑材料，有了建筑工人和机械，谁来圈起一个建筑工地呢？

当然你可能首先会问，为什么非得有个建筑工地呢？答案很简单，没有的话，各种建筑材料和工人机械早就跑得没影儿了。

各种生命物质，能量货币ATP，负责存储遗传信息的DNA和RNA，以及负责帮助DNA自我复制的蛋白质分子机器，在地球海洋中不可能在局部某一个地方保持很高的浓度，它们会迅速从高浓度向低浓度自由扩散，最终被稀释到根本谁也找不到谁。

而物质、能量和自我复制这三个要素，必须互相协作才能发挥功能。

所以，必须有这么一个东西，能把这三个要素聚集在一个非常狭小的空间范围内，使得它们两两之间可以迅速地配合起来，传递能量，传递信息，传递物质，生命活动才有可能发生。

这个单元，我们的主题就是这个建筑工地的生物学。首先揭晓一下答案：围起建筑工地、制造狭小的空间的东西，就是细胞。

细胞围起生命三大要素

我们之前讲过，自然环境里也能提供狭小空间。比如海底热泉口附近的烟囱，那里可能是生命的起源，因为在烟囱内部有很多充满细小孔洞的岩石，提供了天然的狭小的空间。

既然如此，为什么还要细胞呢？

没错，海底烟囱很可能是生命起源的地方，但是，那里也有明显的局限性。因为生命没法背着这些岩石走路。以烟囱为家的生物，没有在地球上开枝散叶的本事。

所以，今天活跃在地球表面的动物、植物、微生物，必然得自己修建出一个新的建筑工地，把生命活动约束在一个很小的范围内，也把生命活动和外在环境隔离开。

这个东西就是细胞。有了细胞这个微小的结构，物质、能量、自我复制这三个支柱就能互相协作，开始生命活动了。

但是，你要是以为细胞存在的全部意义，就是一个简单的物理屏障，那就错了。

不知道你是否还记得，在中学政治课本上，革命导师恩格斯把细胞学说看作是19世纪最重要的三个科学发现之一，和自然选择还有能量守恒定律并列。

他的说法其实是非常有道理的，细胞的出现其实非常重要，不仅仅是简单的物理屏障。

这一讲，我的主要任务就是告诉你，在生命的演化史中，细胞的形成到底起了什么重要作用。

细胞让生命演化进入了快车道

我们先来看看细胞是个什么东西。

你可以把细胞的结构理解成一层薄薄的、软软的膜，像肥皂泡一样，把维持生命活动的物质、能量以及自我复制的机能紧密包裹在一起，和外界环境隔绝开。

细胞结构

相比外界环境，细胞里面就蓄积起了非常高浓度的生命物质。这层薄薄的膜也可以用来形成细胞内外的离子浓度差，用来驱动ATP合成酶制造能量分子。

当然了，细胞内部肯定还有负责存储遗传信息的DNA分子，还有帮助DNA完成自我复制和指导蛋白质合成的一系列分子机器等等。

那么，细胞的形成对于生命究竟意味着什么呢？

我认为，细胞除了把物质、能量、自我复制圈在一个小范围之外，它对生命有两大贡献。

首先，细胞大大增强了生命活动的复杂程度，让生命的演化走上了快车道。

什么意思呢？在一个非常狭小的物理空间内，物质、能量和信息就会产生协同作用，组合出复杂丰富的生命活动来。打个比方：

• 如果房间里只有一个人，他大概也就只能看看书，睡睡觉，吃吃饭，发发呆；
• 如果有两个人，他们也许还能下下棋，聊聊天，做个游戏；
• 如果有一百个人在一个房间里彼此配合，开出一家公司，一间学校，甚至发展出一门宗教或者一门科学，都不是什么天方夜谭了。

而一个细胞的直径差不多是几微米到几十微米的尺度，在这个空间里，差不多可以容纳一亿到一百亿个蛋白质分子。它们彼此之间协调配合的可能性，会达到一个天文数字。

我举两个实际的例子，来说明细胞带来的复杂活动：

比如，细胞出现后，地球生物便有了宏观尺度上的运动性。

单细胞生物可以靠他们表面的长长的鞭毛或者短短的纤毛，滑动水流前进。运动速度可以达到每秒钟几十、上百微米甚至一毫米。

换句话说，他们的运动速度可以达到每秒钟好几十个身体的长度，这比人类的短跑冠军速度还快。

单细胞生物的运动

再比如，细胞出现后，地球生物第一次发展出了吞噬——也就是吃别的东西的能力。

它们可以通过改变细胞的形态，“啊呜”一口，把环境中的营养物质吞下去，甚至是把别的细胞作为食物吞下去。

单细胞生物的吞噬

它们甚至还可以完成非常简单，但是很精巧的社交行为，这一点我们在后面的章节中再仔细谈。

总而言之，有了细胞的存在，生命活动才真正可以变得很复杂，很多元，甚至可以说是很有趣。

所以你看，细胞的出现，可以说是地球生命演化过程中的一次巨大飞跃。

我们今天熟悉的几乎所有生命现象，从鸟类飞翔到人类思考，从细菌游泳到鲜花盛开，这一切能出现的前提，都是因为细胞的出现，因为细胞带来的蛋白质分子之间的协同效应。

细胞丰富自然选择的可能性

那么，细胞形成的第二个重要的意义是什么呢？

用一句话来概括：有了细胞生命，达尔文的自然选择理论才算是真正开始工作了。

为什么这么说呢？当然了，在细胞出现之前，大自然也会进行优胜劣汰的自然选择，但是这个时候，自然选择的对象是孤零零的分子，比如我们介绍过的RNA核酶。

在大自然里，哪个核酶分子能够更好地完成自我复制，能够复制得够快、够精确，哪个核酶分子就能够活下来，还能“子孙”繁盛，甚至统治整个地球的海洋。

但是无论如何，统治地球的不过是一些能够自我复制的生物分子而已。

它们可能长度不同，化学组成不同，对水温和酸碱度的适应能力不同。但是在此之外，这些分子能做的事情非常有限。

而在细胞出现后，细胞本身自然而然地取代了单个分子，成为了自然选择的对象。

在这个背景下，细胞内部的生物化学反应就有了更多的可能性。

在细胞出现之前，由单个分子构成的所谓地球生命，实际上是非常脆弱的。它得竭尽全力完成自我复制，稍微一丁点错误，可能都会让它们消亡，掉入万劫不复的深渊。

而在细胞出现之后，特别是由于细胞的大尺度容纳了海量的分子，也能容纳天文数字的生物化学反应，它接受自然选择时候的可能性就多了许多。

打一个比方来说明这个问题：

如果我公开招标采购某种电子元器件，比如二极管。那不同的公司肯定会拼了命地生产出各项技术指标都很好的产品。比如电阻多少，工作频率多少等等，最终给我投标的可能就是高度雷同的二极管。

而如果我换个思路呢？如果招标的时候不要求单个电子器件的指标有多好，要是直接要求生产出好用的手机，那结果就会很不一样了。

要知道一台手机里可能有好几亿个电子器件。这个时候，大家就不会去拼一两个技术指标，而是会往各自擅长的方向发展：

• 有人会生产更大屏幕、显示质量更好的手机；
• 有人会生产游戏性能更好的手机；
• 有人就会生产待机时间更长的手机。

这样，投标的时候就会出现五花八门，各具特色的手机产品，各自发挥自己的独特优势。

所以你看，如果筛选产品的复杂度升高，那么就更有可能出现种类更丰富的优秀产品。

那么你可以想象，在同样的环境压力下，细胞生命相比单个分子，会有更多的可能性演化出五花八门的生命形态。

这也是为什么，在今天的地球上几乎每个角落，都生活着非常多种单细胞生物，而且它们之间可以千差万别：

• 有仅有一两个微米大小的细菌，也有直径上百微米的巨型阿米巴虫；
• 有利用太阳能制造ATP和生命物质的藻类，也有靠吞噬动物肠道里营养物质为生的大肠杆菌；
• 有摆动纤毛在水中游动捕食的草履虫，也有能够依靠小磁铁感应磁场的趋磁细菌。

它们之间的共同点，可能就是能利用能量、能自我复制，并且具有细胞结构。在此基础之上，细胞生命可以说是拥有无限的想象空间。

好，总结一下，这一讲你知道了细胞结构的出现，在生命的演化史中多么重要。

细胞不仅创造了一个狭小的空间，让物质、能量、自我复制这三大要素互相协作。更重要的是，它还大大增加了生命活动的复杂程度，并且让自然选择理论真正开始高强度工作。

不过到现在为止，你可能还不清楚所谓细胞到底是什么东西。那一层薄薄的细胞膜到底是什么东西。人类又是怎么发现和理解它们的？

这背后的故事特别精彩，下一讲，我就来带你走进细胞和细胞膜。

有了细胞，达尔文理论里的自然选择才算是真正开始工作了。