关键概念
碳骨架组分互作中的组分通用性和互作/碰撞随机性;从IMFBC的自催化功能转变到特殊组分获得催化功能;酶及其基本属性;不对称的双组分系统;高能分子;生命大分子复合体;先协同后分工。
思考题
为什么说具有催化功能的生命大分子可能自发产生?
为什么说耗能的生命过程还是自发过程?
为什么在“先协同后分工”的表述中要强调“先后”?
上一章中我们讨论了为什么环境因子是以结构换能量循环为起点的可迭代整合子,或者说是整合子生命观视角下的生命系统的构成要素;以台风或者居维叶漩涡为比喻,讨论了生命系统作为一个动态过程与感官经验中生物体的静态形态特征之间的内在统一性。但我们在这里需要特别指出,虽然台风或者居维叶漩涡的确属于复杂系统——当年Prigogin的耗散结构理论提出后,的确有研究者把台风作为复杂系统的例子来进行研究(可惜极少见人提到居维叶漩涡,估计绝大多数人都把居维叶给忘记了),但以台风或者居维叶漩涡作为以结构换能量循环为核心的可迭代整合子的主体性辨识的比喻,并不是说生命系统就是一类台风或漩涡那样的复杂系统。台风或者漩涡的构成要素是相对单一的,都是可以被质点化的气体或者水。但生命系统的复杂性不仅表现在构成要素的多样性(尽管是以碳骨架组分为特殊组分的核心),表现在组分或者要素之间的相互作用方式的多样性——从分子间力到共价键,再到电子得失(这些都不是质点化系统中假设的质点的运动、排列、碰撞所能代表的),更表现在以“三个特殊”(即结构换能量循环)为核心的特殊组分、特殊环境因子和特殊相互作用,都可以在整合子运行过程中不断发生迭代!显然,在没有找到有效的方法对这些特点进行符号化运算之前,要寻找生命系统的内在逻辑,我们还是不得不耐着性子,逐一分析已知生命活动中的无法回避的独特现象。在本章中,我们主要讨论酶。
在第四章讨论有关生命大分子形成所需的共价键是否可能自发形成时,我们提出作为“活”的结构换能量循环的节点,IMFBC可能基于其表面的纳米属性所具有的自催化、或者是与其他周边组分相互作用被异催化而自发形成共价键,并因此引发构成IMFBC的特殊组分的迭代。这种自发产生的共价键以及由此而引发的特殊组分的迭代,还赋予结构换能量循环正反馈自组织属性,提高IMFBC +n 的发生与维持概率,使可迭代整合子获得更强的稳健性(在这里需要指出,并非所有的迭代都一定产生正反馈效应)。
在第五章我们提出,水作为特殊环境因子或者是特殊的生命分子,在维持生命大分子链式结构,防止大分子集聚沉淀方面均发挥不可替代的作用。可是,这些都是推理和假设。无论是不是因为没有想到而没有去做,目前的确没有实验证据来检验这些推理或者假设。而且,基于正反馈自组织的推理,随着特殊组分的链式延伸,它们之间分子间力的相互作用会越来越强,很可能常温下的外来能量扰动无法打破这些相互作用而维持结构换能量循环的运行。另外,目前所了解到的生命大分子,除了DNA主要以双链形式存在之外,其他的多肽、多糖和脂类都是以单链形式存在。这些大分子的形成显然不是简单地根据正反馈自组织假设所能够解释的。因此,虽然从逻辑合理性上,“三个特殊”的迭代提供了生命大分子自发形成的可能性,而且也可以进行实验检验,实际上发生的从简单碳骨架组分所形成的结构换能量循环到当下生命世界中存在的生命大分子的迭代过程,显然要比我们上面假设的情况要复杂得多。
既然知道存在那么多的问题,为什么还要提出上面的各种假设?在第三章有关什么是“活”的讨论中,我们提到目前基因中心论无法回避的一个逻辑困境,那就是所有的生命大分子都是酶促反应的产物。酶是多肽/蛋白质。根据中心法则,有功能的多肽是根据DNA序列转录出的mRNA,携带DNA序列编码的遗传信息,在核糖体上按mRNA上的序列信息合成/翻译出来的。可是DNA、mRNA甚至核糖体本身都需要酶才能合成。在这个系统中所需要的DNA、RNA和多肽,究竟哪一种大分子是最先出现的呢?这好像成了一种“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题。如果前面提到的汤超实验室1996年所做的,氨基酸排列所产生的能态决定多肽的属性,具有可折叠性的氨基酸排列方式的多肽可以稳定存在,从而决定多肽中的氨基酸序列的结果具有普适性,说明有功能、起码是可折叠、从而可以稳定存在的多肽的形成并不需要DNA。RNA world假说中最初的有催化功能的RNA的形成所面临的情况和汤超实验中的多肽本质上是一样的。如果这种推理是成立的,那么虽然借汤超实验的结果和RNA world假说可以打破核酸与多肽之间谁先出现的“鸡-蛋谜题”,但在解释现存生命系统起源机制上仍有一个不可回避的问题,即最初的多肽或者RNA所不可或缺的共价键是如何自发形成的。这是之前讨论演化问题,并将共价键自发形成作为演化起点的初衷。
为解决共价键自发形成的问题,我们在第四章中提出了一个基于IMFBC的共价键自发形成的思路。可是这种解释好像并不能为我们现在所观察到的酶的现象给出直接的回答。有没有可能是在之前的讨论中还忽略了某些因素,从而出现了那些已有的推理所无法直接回答的问题呢?是不是找到那些被忽略的因素,并加入可迭代整合子的逻辑系统中,就可以为在生命大分子形成过程中具有不可或缺的关键作用的酶的最初自发形成提供一个合理的、并可用于进行实验检验的解释呢?