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文檔簡介
1、生命之熵,(Erwin Schrodinger)翻譯: 魏俊霞,生命與非生命的界限到底在那裡?生命的”原理”是什麼?能否創(chuàng)造新生命?生命是什麼?千百年來,人類對生命之謎的探索從未停止過。將近70年前,量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、奧地利著名物理學(xué)家埃爾溫.薜定諤(Erwin Schrodinger)奏響了破解生命之謎的序曲,並提出了一個大膽的嘗試:以物理學(xué)和化學(xué)的觀點去詮釋生命的本質(zhì)。這種跨學(xué)科的創(chuàng)想打開了一扇全新的發(fā)現(xiàn)之門,產(chǎn)生了巨大
2、的影響,激動了大批學(xué)者進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域,直接推動了生命科學(xué)的飛躍發(fā)展。,直到今天,生命之謎依然沒有解開。生命與非生命的分界線到底在哪裡?操縱生命的原理是什麼?能否人工製造新生命?本文不僅從生物學(xué)和生命科學(xué)的視角,還將像薜定諤那樣從物理學(xué)的角度來剖析生命的本質(zhì),揭開生命之謎。下面,就讓我們一起來面對這個既古老而又新鮮的問題,共同尋找”生命是什麼”的答案吧。,病毒是生物嗎?人體皮膚細(xì)胞是生物嗎?當(dāng)我們看到一個物體時,往往一眼就能直觀地
3、判斷出它是不是生物 (生命體)。例如,看到狗或貓時,立刻就知道它是生物,而你正在讀的這本雜誌不是生物,做出這樣的判斷對你來說沒什麼難度。,那麼,必須依賴宿主才能存活和增殖的病毒是不是生物呢?面對智力與動作越來越接近人類的高智慧機器人,你是否感覺到它們也擁有鮮活的生命性質(zhì)呢?如今,科學(xué)家已經(jīng)成功培育出了ips細(xì)胞 (induced pluripotent stem cells, 誘導(dǎo)性多能幹細(xì)胞)。在不久的將來,也許利用一個體細(xì)胞就能培育
4、出一個嶄新的生命體。那麼,我們能把人體皮膚細(xì)胞單獨稱為生物嗎?毫無疑問,當(dāng)我們判斷某一物體是不是生物時,肯定存在著一個判斷標(biāo)準(zhǔn)。那麼,它又是什麼呢?,大約70年前,一個物理學(xué)家向生命之謎發(fā)起挑戰(zhàn)不管是像人類那樣鮮活的生命體,還是像巖石那樣堅硬的物體,如果不斷拆解下去的話,我們就會發(fā)現(xiàn)它們都是由無數(shù)個微小的原子組成的。既然都是由原子組成的,那麼,人類和巖石都應(yīng)該遵循相同的物理定律。但是,身為生命體的人類和非生命體的巖石卻擁有截然不
5、同的特徵。這些差異究竟從何而來?千百年來,生命一直是一個讓無數(shù)科學(xué)家困惑迷離的謎團(tuán)。量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一,著名的物理學(xué)家薜定諤 (1887-1961)率先向生命之謎發(fā)起了挑戰(zhàn),並於1944年出版了《生命是什麼》一書。在書中,他提出了一系列天才的觀點和大膽的設(shè)想:物理學(xué)和化學(xué)原則上可以詮釋生命現(xiàn)象。,這是一部石破天驚的書,它奏響了揭示生命遺傳觀奧秘的序曲。在這本巨著的影響和感召下,一批物理學(xué)家放棄了熟悉的研究領(lǐng)域,投身到生物學(xué)研究的洪
6、流中,立志獻(xiàn)身於揭開生命遺傳的奧秘。詹姆斯.沃森(James Watson, 1928)就是其中的一個,他於1953年-《生命是什麼》出版9年之後 - 發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),從此開啟了分子生物學(xué)時代,推動了近代生命科學(xué)的飛躍發(fā)展。如今,自《生命是什麼》出版以來已經(jīng)度過了將近70個春秋,生命科學(xué)和物理學(xué)已經(jīng)有了飛躍性發(fā)展。今天,面對“生命是什麼”這個困擾了一代又一代科學(xué)家的問題,我們又能回答出多少呢?,生命同樣受物理學(xué)定律支配不
7、管是人類那樣鮮活的生命體,還是巖石那樣堅硬的物體,如果一直拆解下去的話,我們就會發(fā)現(xiàn)它們都是由原子組成的。世界上並不存在只有生命體才擁有的特殊原子,也不存在只適用於生命體的特殊的物理定律。,人類、植物及細(xì)菌的共同特徵是什麼?草原上奔跑的動物,天空中翱翔的鳥類,春天裡竟相綻放的五顏六色的花草……都散發(fā)著勃勃生機,讓我們不得不驚嘆生命的偉大與不可思議。相反,面對路邊的石塊,我們卻絲豪感受不到生命的存在。由木頭製成的桌子和椅子也毫無生命
8、感,盡管它們的前世-樹木-也曾是鮮活的生命體。當(dāng)我們贊賞瓶中花兒的美麗時,如果猛然發(fā)現(xiàn)它竟是一束毫無生命的假花,頓時就會興致全無。,是什麼讓我們感受到生命的存在?生命究竟有什麼特徵呢?地球是所有生物的共同家園。從天空到陸地,從陸地到海洋,從海洋深處到大地深處,棲息繁衍著豐富多樣的生物??蓯鄣膶櫸锕泛拓垺Ⅳ~缸中悠閒自得游來遊去的魚兒、生機盎然的盆栽花草、令人厭煩的蒼蠅和蚊子……在我們的身邊,就生活著各種各樣的生物。也許你還不知道,你的
9、體內(nèi)和皮膚表面居然寄生著100多萬億個細(xì)菌。這個數(shù)字,會不會讓你大吃一驚?,假如有人問你,不管是細(xì)菌還是人類,所有生物的共同特徵是什麼,你會怎樣回答呢?例如,人類和狗都是哺乳類動物,在形態(tài)和生態(tài)上很容易找到共同之處,都有眼睛、耳朵和鼻子,食物種類相似,活潑愛動等等。那麼,人類與植物有共同之處嗎?與只有1/1000毫米大的大腸桿菌有共同之處嗎?放眼“地球上所有的生物”,它們又有怎樣的共同之處呢?,盡管形態(tài)各異,卻都是“生物”地
10、球上現(xiàn)存的有記載的生物種類大約有200多萬種。從存在量(總重量)來說,細(xì)菌和古細(xì)菌等微生物的存在量高於動物(動物的總重量為幾十億到100億噸,而微生物約有400億噸),植物的存在量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高於微生物(植物為1萬億到2萬億噸)。,甚至連大腸桿菌都能不斷適應(yīng)周圍環(huán)境而堅強地存活下去眾所周知,人體能感受光、聲音、氣味、熱量等來自周圍環(huán)境的刺激,並做出相應(yīng)的反應(yīng)。例如,氣溫升高時,我們就會出汗散熱;光線強烈刺激我們眼睛時,瞳孔就會不自覺地縮小
11、。當(dāng)我們發(fā)覺行進(jìn)的前方有障礙物時,就會主動避開,當(dāng)感到陽光太曬時,就會走到陰涼處。總之,我們會有意或無意地“趨利避害”,使自己處於更加有利的地位。,你知道嗎,甚至連大腸桿菌等原始生物,都能對周圍刺激做出反應(yīng)而頑強地活下來。大腸桿菌全身遍佈鞭毛,可以在鞭毛的驅(qū)動下有目的地運動。鞭毛是一種細(xì)長的絲狀結(jié)構(gòu),由蛋白質(zhì)構(gòu)成,通過根部的“發(fā)動機”進(jìn)行控制。鞭毛向同一方向旋轉(zhuǎn)時,大腸桿菌就會前進(jìn);而當(dāng)部分鞭毛逆向旋轉(zhuǎn)時,推進(jìn)力則失去平衡,大腸桿菌就會
12、改變行進(jìn)方向。就這樣,大腸桿菌可以不斷地改變行進(jìn)方向,在大腸中自由自在地游來遊去。,此外,大腸桿菌的表面還有感知有害物質(zhì)的感受器。當(dāng)感受器感知到有害物質(zhì)時,會把這一信息傳遞給鞭毛的“發(fā)動機”,從而改變鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向。也就是說,大腸桿菌能感知危險,並改變行進(jìn)方向。利用鞭毛不斷改變方向,大腸桿菌就能成功避開有害物質(zhì),逃離危險。其實,乍一看根本不會動的植物也能對周圍刺激做出反應(yīng)。例如,在黑暗的房間栽培蘿蔔苗時,如果只從一個方向照射燈光的話
13、,蘿蔔苗的莖尖就會慢慢向光線方向傾斜生長,這就是對光刺激做出反應(yīng)的証據(jù)。也許可以說,“對周圍刺激做出反應(yīng)”是所有生物共有的一個特徵。這一機制不斷進(jìn)化,最終造就了最高級最完美的生物-人類。,趨利避害-遠(yuǎn)離有毒物質(zhì),靠近有益物質(zhì)大腸桿菌利用身體表面的感受器對有害物質(zhì)(金屬離子等破壞細(xì)胞的物質(zhì))做出反應(yīng)。感受器(受體)由蛋白質(zhì)構(gòu)成,當(dāng)感受器結(jié)合到有害物質(zhì)時,讓鞭毛逆向旋轉(zhuǎn)的“開關(guān)”就會打開,從而改變大腸桿菌的行進(jìn)方向。就這樣,大腸桿菌
14、利用鞭毛不斷調(diào)整遊動方向,最終遊到有害物質(zhì)少的安全場所。利用身體表面的感受器,大腸桿菌不僅能遠(yuǎn)離有害物質(zhì),還可以靠近營養(yǎng)成份(糖或氨基酸)多的地方,或者溫暖的地方(更加利於生存的環(huán)境)。,糖分、氧氣、光、水……必定要“吃些”什麼?眾所周知,人類生存離不開空氣(氧氣)、水和食物。沒有這三種物質(zhì),所有的動物都不能生存。水、礦物質(zhì)(無機物)和陽光則是植物生長的必要條件。所有的生物都必須“從外界獲得營養(yǎng)”才能生存下去。營養(yǎng)是指生物維持機
15、體功能、生長發(fā)育所必須的物質(zhì)。盡管不同生物所需的營養(yǎng)各不相同,但是,世界上根本不存在完全不需要營養(yǎng)的生物。,生物從外界攝取營養(yǎng),並通過一系列的化學(xué)反應(yīng),將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持自身各項生命活動所需的能量或自身物質(zhì)。這一轉(zhuǎn)變過程稱為“代謝”。與此同時,生物體在通過代謝活動充分吸收和利用從外界環(huán)境中獲取的營養(yǎng)後,把不需要和不能利用的廢物再次排出體外。實際上,作為從外界獲得營養(yǎng)的先決條件,所有的生物都具備一個特徵-區(qū)分自身(內(nèi)部)與自身之外(外部)
16、的界限,即“內(nèi)外有別”。你是不是覺得這個特徵聽起來再普通不過、理所當(dāng)然呢?但是如果沒有內(nèi)外之分的話,生物體也就根本不能從外界攝取營養(yǎng)了。,從外界攝取營養(yǎng),將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)或能量,並把不需要的廢物排出體外不管是植物還是動物,所有的生物體都要把從外界攝取的營養(yǎng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)或維持生命活動所需的能量,同時還要把不需要的廢物排出體外。生物體必須與外界環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)的交換和能量的流動,否則就無法生存。植物利用太陽光能,以水和二氧
17、化碳(無機物)為原料,生成有機物和維持生命活動所必須的能量,這個反應(yīng)過程就是光合作用。氧氣是光合作用的副產(chǎn)物。光合作用所合成的有機物主要有兩大類,一類使植物具有一定形狀,例如纖維素;另一類可作為自身能源使用,例如澱粉。,動物則靠攝取植物製造的氧氣和有機物生存,將其轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)或維持生命活動所有的能量,並把不需要的二氧化碳、熱量以及從外界攝取的機物所分解成的無機物或有機物排出體外。生物生命活動所需的能量,歸根結(jié)底是來自於太陽的光能。
18、,生物的遺傳:龍生龍,鳳生鳳狗每胎一般產(chǎn)仔10隻左右,翻車魚具有超強的生殖力,一次可產(chǎn)卵幾億粒,堪稱海洋中最會生產(chǎn)的魚:蒲公英的種子帶著絨毛,宛如小小的降落傘,隨風(fēng)飄揚,落地生根;青霉則依靠孢子進(jìn)行生殖。總而言之,任何一個生物體都會以自己持有的方式繁殖後代從而延續(xù)生命。繁殖是所有生命都有的基本現(xiàn)象之一。其中最重要的一點是,子代與親代在形態(tài)構(gòu)造、生理機能上非常相似。俗語說“龍生龍,鳳生鳳,老鼠的兒子會打洞”,親代將自己的特征傳遞給
19、子代,繁殖出與自己性狀相似的後代,這就是遺傳。,繁殖是在細(xì)胞分裂的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,一個細(xì)胞分裂成兩個細(xì)胞,最終形成兩個相同的個體。細(xì)菌和原生生物 (阿米巴原蟲等) 屬於單細(xì)胞生物,由單個細(xì)胞組成,全部生命活動在一個細(xì)胞內(nèi)完成。單細(xì)胞生物的細(xì)胞分裂,意味著個體數(shù)量的增多。多細(xì)胞生物,則是指由多個分化的細(xì)胞組成的生物體,其分化的細(xì)胞各有不同的、專門的功能。多細(xì)胞生物繁殖後代的機制遠(yuǎn)比單細(xì)胞生物複製,其生命開始於一個細(xì)胞 - 由卵子和精子等
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