生命界最美丽的十项伟大创造-2

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光合作用是地球生命的动力

 

    光合作用——Alison George

 

    对于生命，几乎没有哪种发明有如从阳光中俘获能量的能力那般，具有如此意义深远的重要地位。光合作用彻底地改变了这个星球的面貌，它改造了大气成分，并形成防护屏使地球免于致命的辐射。

 

    要是没有光合作用，大气中便几乎没有氧气，没有植物和动物，仅有微生物靠原始的矿物质汤和二氧化碳来残喘度日。光合作用使生命摆脱这些约束，它产生的氧气为复杂生命的出现创造了条件。

 

    在光合作用出现之前，生命界的主体是些以诸如硫、铁、甲烷这类化学物质为能量来源的单细胞微生物。而后，约在35亿年前，或许更早，一群细菌发展出从阳光获取能量的能力来帮助合成碳水化合物，以满足自身生长和供能的需要。尚不清楚它们是如何练就这番技能的，但遗传研究表明获取光的“器械”是由分子间进行能量传递工作的蛋白质进化而来的。于是光合作用就降临了。

 

    地球上的生命从此变得更具活力了，为发展出复杂的多细胞生命形态（包括植物，它们吸纳了被称作蓝细菌的具备光合作用功能的细菌作为自己的光合作用器）作好了准备。事实上，现今地球上的生命所利用的能量都是直接或间接地由光合作用产生的。

 

正在交配的蝴蝶

 

    性

 

    对于数目巨大的绝大多数物种而言，有性生殖是惟一的选择。性甚至可能是造成生命前赴后继、自主前行的原因：放弃性的物种差不多在几百代之内就走向灭绝。

 

 

    性的持久不断的成功通常归因于遗传包裹的重新组合，引入了变异并使有害的突变被清除（突变最终会消灭大多数无性物种）。变异是重要的，因为它使生命能够响应环境的变化，这包括o食者和被捕食者——特别是寄生物和寄主——之间的相互作用。无性生殖有时可以比喻为这么一个情形，买了一注100张的彩票，竟然全是同号的。远优于此的是，只买50张彩票，每张的号码都不同。

 

    虽然我们可能明白了性是多么有效，但是我们却不知道它是如何产生的。它可能像DNA修复那样普通。无性生殖的单细胞生物可能曾经进化出周期性地倍增自身遗传物质然后又对分的习性。这让它们能通过替换备用组件去修复任何DNA损伤。类似的DNA交换仍旧发生在卵子和精子的产生过程中。

 

 

    死亡

 

    进化会给生命带来死神吗？是的，确实如此。当然，并非一切皆在它的笼罩之下，生物就经常因诸如饥饿或机体受伤这样的不幸祸事而（非自然）死亡。但还存在不同类别的发生在细胞中的——另有一种存在争议的说法，认为或许甚至是整个有机体——出于为某些更大的整体获取利益而进行的选择死亡。换句话说，死亡是一种进化的策略。

 

    这在许多类程序控制的细胞死亡或者说凋亡（存在于每一个多细胞机体中的一种自毁机制）中是极其明显的。你的手有5根手指，这是因为那些胚胎时期曾经活在手指之间的细胞都死了。只有8到16个细胞大的胚胎——仅在受精卵分裂了3或4次后——指望着细胞的死亡：阻止细胞凋亡，发育就会出偏差。若无死亡之惠，我们甚至无缘出生。

  

    程序控制的细胞死亡也在日常生活中扮演了重要的角色。它确保了肠道内壁恒定的细胞更新量，以及利用死亡细胞生成皮肤保护层。当免疫系统击溃感染后，富余的白细胞会有秩序地自杀以使炎症消退下来。植物利用细胞死亡作为抵抗病原体的焦土防卫策略(scorched-earth defence)，它将感染区域围截起来，然后一举把其中的所有细胞统统杀灭。

 

     寄生

 

    从病毒到绦虫，藤壶到鸟类，寄生物种是这个星球上最成功的生命之一，它们毫无慈悲心地利用我们所知的每一个生物。请看绦虫，这种改进型的寄生物几乎就只是生殖腺和头部满是钩状物的结合体，为了在寄主富有营养的消化道深处生活，它省却了肠胃。在其平均18年寿命中，一只寄生于人体中的绦虫能产下100亿颗卵。

 

    许多寄生物，例如小型肝吸虫，也精通巧妙控制寄主行为的技艺。脑部感染上吸虫幼体的蚂蚁，会被强制爬到草叶的顶端，在那它们更可能被吸虫的最终寄主绵羊吃掉。

 

    “它们实在令人厌恶，但是，它们是不是对自己要做的事很擅长呢？”流行的法国教材《身为寄生物的艺术》(The Art of Being a Parasite)的译者，田纳西州大学的生物学教授Daniel Simberloff说道，“进化可能在相当大的程度上被寄生物驱使着。这是有性生殖之续增篇的主要假说，你能从中获得多少更深的要义呢？”

  

    寄生物亦能在更基本的层次上驱使着进化。被称为转座子的DNA寄生段可以在整个基因组范围内剪贴自身，以转变为新基因，或促发突变和DNA的重新混合，这加剧了遗传变异。它们已经牵涉进性的起源，因为它们可能推动了细胞融合和配子形成的选择。

 

 

僧帽水母

 

    超个体

 

    大量的个体和睦相处，通过分工和共享劳动成果来达到更佳的生存状态。我们将这种乐园般的完美理想境界称为乌托邦，并且至少在有记录的人类历史上，人们一直为实现此目标而奋斗着。唉，就目前而言，我们的努力仍是徒然地白费工夫。然而，进化做得更好。

 

    这种共存带来了一个很大的优势。它让生物成为整体，可以自由地游动。否则它们只能待在海底。它们聚结起来可以更好地保护自己免遭猎食者的捕食，应对环境压力，拓展新的生存版图。僧帽水母是货真价实的超个体。

 

    对于一群营集体生活的昆虫，我们确实知道诀窍何在——它是一项精妙的诡计。雌性由受精卵发育而来，而雄性由未受精过的卵发育而成。这种决定性别的方式被称为单元二倍体(haplodiploidy)，这确保了姊妹间的亲缘关系比它们与儿女的亲缘关系更为密切。这就意味着，让自身基因以最佳的机会继续存衍的方式是雌性之间互相照料，而不是自己产卵。这就是本质上向那些单元二倍体至少进化过十几次的动物种群——蜂群和白蚁群及其他许多昆虫群体——提供稳定性的根由。

 

    真实的社会性或用术语说，完全群居的习性(eusociality)存在于所有的蚂蚁和白蚁中，还有最为高度组织化的蜜蜂、黄蜂及一些其他物种中，但并非存在于所有使用了单元二倍体的物种中。尽管这些小型的社会需要更为经心的管辖以制止作弊行为，但这大概是地球上最为接近乌托邦的事物了。

 

 

 

珩鸟与鳄鱼

 

    共生

 

    共生现象有着多种定义，但我们认为它表示两个物种结成了生理上的密友，互为依赖，差不多总是涉及到食物。共生现象是进化过程中已被触发的地震式转变，而进化相应地不断地涌现出新的共生关系。

  

    共生现象在进化中如此频繁地突然出现，以致我们有把握称其为惯例，而非特例。深海中的鮟鱇鱼在来回摇摆于嘴附近的附肢内接纳发光细菌，被冷光引诱来的小鱼容易被其捕食。在大洋表面，珊瑚虫为进行光合作用的海藻提供栖息地，同时以无机的废品换取有机化合物——这就是营养贫乏的热带水域为何能供养如此多生命的一个原因。海藻同样会产生一种能吸收紫外线从而保护珊瑚的化学物质。