光合作用從水中分解出的氧氣-細(xì)胞的進(jìn)化研究

細(xì)胞的進(jìn)化
  細(xì)胞的區(qū)室化(compartmentation)有許多益處。一個封閉的系
統(tǒng)除了保護(hù)細(xì)胞不受外界不利環(huán)境的影響外，還可以保持高濃度的
內(nèi)部組分，否則，組分就會擴(kuò)散。物質(zhì)的高度濃縮，使得發(fā)生的聚
合反應(yīng)和其他化學(xué)反應(yīng)更為有效，反應(yīng)的發(fā)生也更加容易。
  膜包被的小室逐漸使其內(nèi)容物與外界環(huán)境的組分變得不同。進(jìn)
化到今天的細(xì)胞包含有高濃度的離子、小分子以及一些大分子復(fù)合
物，這些大分子即使在胞外存在的話，也是微量的。比如，大腸桿
菌中有上百萬個分子，組成大約3000～6000種不同的復(fù)合物。而一
個典型的動物細(xì)胞則容納有十萬種不同的分子。
  早期細(xì)胞依靠環(huán)境提供有機(jī)原料進(jìn)行生物構(gòu)建。當(dāng)前生物“湯
”中生命必需的有機(jī)成分在環(huán)境中越來越少時，自然選擇利于那些
能從一些簡單卻又豐富的有機(jī)前體(precursor)中合成所需化合物
的生物體。最初的代謝反應(yīng)利用從無機(jī)環(huán)境中吸收的金屬或黏土作
為催化劑(一種參與促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)但自身不發(fā)生改變的物質(zhì))。事實
上，現(xiàn)在細(xì)胞中的許多化學(xué)反應(yīng)的核心仍然是金屬離子，并且一些
聚合大分子的功能基團(tuán)已發(fā)展為具有催化功能的基團(tuán)。
  總的來說，生物合成反應(yīng)需要能量。因此，最初的細(xì)胞中的反
應(yīng)也需要能量供給。在前生物(prebiotic)環(huán)境中，原始的高能物
質(zhì)的缺乏可以促進(jìn)產(chǎn)能代謝途徑的發(fā)生。例如，較早以前，就進(jìn)化
出光合作用來利用太陽能。然而，光合作用從水中分解出的氧氣(
現(xiàn)在大氣中氧含量為21％)，對早期生活在貧氧大氣層中的生物提
出了挑戰(zhàn)。代謝機(jī)制最終不僅使生命體避免了氧化傷害，還利用氧
氣進(jìn)行了有氧代謝。有氧代謝可以比無氧代謝獲得更多的能量。從
現(xiàn)在相當(dāng)一部分生命體中的無氧代謝過程中，都可以看到遠(yuǎn)古生命
的遺跡殘痕。
  早期生物體進(jìn)化產(chǎn)生的代謝策略，包括合成生物大分子，可控
制性地保存和利用能量并在外膜保護(hù)的小室內(nèi)復(fù)制自身，使其能在
范圍更廣的生活環(huán)境中延續(xù)和發(fā)展。細(xì)胞對不同外界環(huán)境的適應(yīng)性
最終帶來了今天的生物多樣性。不同細(xì)胞的特性使得多細(xì)胞生物中
各類細(xì)胞共同工作變成可能。

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