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白书农等人提出有关生命本质和起源的新假说

 

  生命的本质究竟是什么?生命与非生命的边界在哪里?生命大分子为什么都是链式结构, 与之有关的化学反应为什么都是循环式的?什么是生命系统的“可演化性”?这些问题长期以来众说纷纭,莫衷一是。最近,北京大学生命科学学院白书农教授、生物动态光学成像中心葛颢教授和美国西雅图华盛顿大学应用数学系钱纮教授合作在Science China Life Sciences(《中国科学:生命科学》英文版)上发文,对上述问题给出了他们与众不同的全新看法。在这篇以Structure for energy cycle: a unique status of second law of thermodynamics for living systems为题的文章中,作者把传统上什么是生命的设问,转变为“什么是‘活’”。基于目前所知的生命系统的构成单元都是碳骨架分子,以及类似DNA双螺旋中的碱基配对和酶的反应中心的活性之类最有生命系统特征的现象都基于分子间力这两个的事实,提出了在特定的环境条件下,碳骨架组分可以按照自由能下降的方向,自发形成具有较低能态的分子间力结合的复合体(intermolecular force bond complex, IMFBC),而由于IMFBC的结合是基于能态较低的分子间力,因此很容易被环境能量的输入打破,使得复合体解体成为独立存在的碳骨架组分。作者将以IMFBC为节点耦联的自发形成和扰动解体这两个独立发生过程的非可逆循环定义为“活”。由于这个依赖于环境的自发过程以IMFBC这种特殊结构为节点,同时符合热力学第二定律所规定的能量关系,作者把这一过程背后的规律称为“结构换能量”,这一非可逆循环也被称为“结构换能量循环”

 

  在最初的阶段,IMFBC为节点的非可逆循环本身只是简单的组分和复合体之间状态的交替存在,并不会增加系统的复杂性,因此不具备生命系统所必须的可演化性。但它是生命系统形成的必要条件,因此可以被看作是生命起源的原点。在此基础上,如果IMFBC恰好可以自催化或者遇到特殊的环境而自发形成共价键,以IMFBC为节点的非可逆循环的碳骨架组分就可以自发地增加复杂性,从而使整个系统具有了可演化性可演化性使得结构换能量循环实现了从简单的的系统转型/跃迁/衍生为生命系统,直到形成今天包括人类在内的地球生物圈。 

 以IMFBC为节点耦联的两个独立过程非可逆循环,即最初“活”得到过程的图解   

红球和蓝球分别表示不同的特殊碳骨架组分。彩色箭头(标号1)表示在自由能下降驱动下IMFBC(标号2)的自发形成。浅棕色箭头表示环境能量输入。这一能量将打破维系IMFBC的分子间力,使得组分恢复独立存在的状态。由于IMFBC形成的过程和解体的过程受两种不同机制驱动,因此IMFBC和独立组分两个存在状态之间的循环是非可逆循环。

 

 

  基于以上分析作者认为,生命的本质应该是特殊组分在特殊环境下的特殊相互作用。这种看法与传统的看法有三点不同:第一,传统的看法倾向于把生命看作是一种特殊物质的属性,而新看法则把生命看作是一种特殊的物质存在形式,即异质性特殊组分(不同种类的物质,这些物质的特殊性在于它们是碳骨架化学分子)之间的特殊相互作用;第二,与上述不同相关,传统看法关注复杂结构形成所需要的共价键;而新看法则强调生命这种物质存在形式的特殊相互作用中,最重要的是分子间力;第三,传统的看法倾向于把生物体和环境分别作为两个要素来看待和分析,而新看法则把环境看作是生命系统的一个构成要素。这种看法为探索和理解生命提供了一个不同的视角;可以解释一些过去难以解释的现象,比如可以回答生命大分子为什么是链式的:因为只有链式的分子才可能在保持分子间力相互作用的同时,实现以共价键为基础的大分子复杂性增加;同时还提出了很多过去没有理由去探索的问题,比如能否以计算的方式来模拟IMFBC为节点的非可逆循环并寻找可能的实体分子。这是一种全新的生命起源的研究思路。

 

Bai, S., Ge, H., and Qian, H. (2018). Structure for energy cycle: a unique status of the second law of thermodynamics for living systems. Sci China Life Sci 61

 

(本文转载自https://mp.weixin.qq.com/s/TrJ8ZwkSK445Z2eSo57zCg##