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特殊环境因子的迭代Ⅱ:为什么生命大分子都是链式的?

从结构换能量循环的假设开始推理到现在,已经推理出了基于IMFBC的共价键自发形成的可能性,从而证明,以大爆炸宇宙(包括早期地球)中既存的碳骨架组分为起点,在特定的环境因子参与下,不仅“活”的过程,而且我们现在已知的生命大分子,即可迭代的特殊组分,都有可能是基于结构换能量原理,经由正反馈自组织过程而自发产生的。可是,这里存在一个问题,即按照甲烷的分子结构,碳原子可以形成以109. 5°键角相距的4个共价键。如果的确可以以IMFBC为前体自发形成共价键,那么在以IMF为关联的两个碳骨架组分相互作用面之外其他方向的键是不是也可以形成共价键,从而形成分枝的大分子?可是为什么目前已知的四大类生命大分子——多肽、核酸、多糖和脂——大部分都是链式的呢?

我曾经为寻求这个问题的答案查阅过一些文献,并咨询过专家,遗憾地没有得到满意的回答。可是,如果从上述以IMFBC为前体、通过自催化或者异催化而自发形成生命大分子所必需的共价键的推理来看,链式分子应该是在保障IMFBC为节点的结构换能量循环过程的同时,保障大分子自发形成所必需的正反馈自组织过程的最有利的形式!换句话说,链式的大分子可以在保障碳骨架组分复杂性增加所需的共价键形成的同时,最大程度地维持结构换能量循环所必需的分子间相互作用力所必需的相互作用面,而且还可以随共价键增加所带来碳骨架组分复杂性增加而强化作为迭代产物的特殊组分之间以分子间力相互作用来增强新产生的复合体的稳健性(robustness)。这种推测的最有力的支持例证,就是以双链形式存在的核酸——当然,这并不是说现在生命世界中的核酸最初一定是按照上面所推理的方式形成的。以核酸为例,只是因为在生命大分子中,核酸是典型的因为同时具有共价键和分子间力而形成其功能的大分子。可是,在这种解释中,并不需要水的参与。

在2013年(也可能是2014年),我们学院的同事接待了一位来访者。她做的报告是关于植物花粉粒表面的孢粉素是如何形成的。在她对孢粉素背景的介绍中,提到这类分子高度疏水,彼此之间非常容易由于周围存在极性的水而被排斥,从而形成分子间的聚集(aggregation),并因此具有抗酸、抗生物降解的特性。她的报告让我意识到,为什么其他的生命大分子并没有形成类似孢粉素那样的聚集、并没有因分子间聚集而无法被外来输入能量打破,从而导致结构换能量循环无以为继呢?一种可能性,就是与孢粉素的情况相反:生命大分子因为水的存在而得以避免形成聚集的状况!

为什么水可以避免生命大分子因聚集而沉积?这就涉及前面一节中提到的水分子特有的因氢键而产生的极性。这种极性使得水分子很容易和其他极性分子相互作用,在连续水分子(即水体)的背景下,极性的大分子因水的存在,不容易出现相互作用形成聚集。如果在普通的化学反应中,这种水分子和其他分子的相互作用被看作是一种溶剂效应。但在生命系统中,大家通常关注的是生命大分子的行为,而把水分子看作是一种默认的存在。可是没有水分子的存在,恐怕就没有上述动态的生命大分子的存在,也谈不上在“活”的结构换能量循环基础上的可迭代的正反馈自组织的存在。水分子在这方面的作用,显然和上面一节中提到的因为比热高而作为外来能量输入的媒介,为结构换能量循环和正反馈自组织提供更加温和而稳定的反应条件的效应是不同的。考虑到这两个过程都以特殊组分为前提,没有这些可迭代的特殊组分也就没有结构换能量循环中的特殊相互作用,也就更谈不上可迭代的正反馈自组织。

回到“为什么生命大分子都是链式的”这个问题,上面的分析只是提供一个推理的思路,并不是最终的答案。毕竟像核酸这样的双链大分子还是少数,多肽和多糖大部分都是单链;核酸、多肽、多糖都是极性而亲水的,而脂类则是非极性而疏水的。大分子自身的结构以及相互作用的情况都非常复杂,很难给出简单的统一答案。上面分析的目的,无非是希望为水在生命系统中的角色给出一个不那么闪烁其词的解释。这种解释就是,水是作为基于结构换能量循环(最初的整合子)的可迭代的正反馈自组织系统中特殊组分之间形成特殊相互作用不可或缺的特殊环境因子,是可迭代的整合子,即生命系统的构成要素。至于水是光合作用和其他很多化学反应的原料(反应物),更说明水作为一种特殊的环境因子,完全有资格作为生命系统,即可迭代整合子的不可或缺的构成要素,或者是碳骨架组分之外的生命分子。水这种特殊生命分子在生命系统,即可迭代整合子运行中的作用,除了在类似光合作用这样的化学反应中作为反应物之外,还能作为外来能量输入的高缓冲效应的媒介,以及作为防止生命大分子聚集的媒介。 NRJ7id3LpPj3S/2zyMS00BaBmKoMhsrZJJhEW4iLJDSrkBOgL3oeAXzsAdSYkH3D

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