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紛亂中的秩序(2生命現(xiàn)象的偶然與必然)/生物學(xué)通報(bào)科普文選系列 版權(quán)信息
- ISBN：9787030726759
- 條形碼：9787030726759 ; 978-7-03-072675-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：
紛亂中的秩序(2生命現(xiàn)象的偶然與必然)/生物學(xué)通報(bào)科普文選系列 內(nèi)容簡(jiǎn)介
先有雞還是先有蛋？動(dòng)物是如何感受痛覺(jué)和癢覺(jué)的？動(dòng)物是如何產(chǎn)生視覺(jué)的？人體是如何感知時(shí)間的？成功和勤奮有關(guān)系嗎？人的智力有極限嗎？諸多的生命現(xiàn)象，哪些是必然的，哪些又是偶然的？本書收錄了由美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院朱欽士副教授為《生物學(xué)通報(bào)》撰寫的系列文章，以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度、通俗生動(dòng)的語(yǔ)言，為我們揭開了生命科學(xué)中的種種奧秘。 本書適合所有對(duì)生命科學(xué)感興趣的讀者，特別是青少年閱讀。
紛亂中的秩序(2生命現(xiàn)象的偶然與必然)/生物學(xué)通報(bào)科普文選系列 目錄
目錄
生命現(xiàn)象的偶然與必然 1
先有雞還是先有蛋 12
植物和動(dòng)物的殊途同歸 17
什么是“表觀遺傳學(xué)” 35
動(dòng)物的痛覺(jué)和癢覺(jué)感受機(jī)制 41
動(dòng)物的視覺(jué)——從電磁波獲得外部世界的信息 65
為什么雄蟻沒(méi)有父親和兒子——淺談生物的性別分化機(jī)制 99
螞蟻為什么是“大力士” 107
什么是食物 115
人體是如何感知時(shí)間的——談?wù)劇吧镧姟薄?23
人腦的局限性——勤奮與事業(yè)成功的關(guān)系 139
人的智力有極限嗎 147
感覺(jué)、意識(shí)、情緒和智力 162
我們的機(jī)體是如何解毒的 180
肥胖與腸道細(xì)菌有關(guān)嗎 193
為什么人類能夠發(fā)出優(yōu)美動(dòng)聽的歌聲 204
感冒為什么難治 213
為什么說(shuō)人屬于“單鞭毛生物” 222
生命現(xiàn)象的偶然與必然 1
先有雞還是先有蛋 12
植物和動(dòng)物的殊途同歸 17
什么是“表觀遺傳學(xué)” 35
動(dòng)物的痛覺(jué)和癢覺(jué)感受機(jī)制 41
動(dòng)物的視覺(jué)——從電磁波獲得外部世界的信息 65
為什么雄蟻沒(méi)有父親和兒子——淺談生物的性別分化機(jī)制 99
螞蟻為什么是“大力士” 107
什么是食物 115
人體是如何感知時(shí)間的——談?wù)劇吧镧姟薄?23
人腦的局限性——勤奮與事業(yè)成功的關(guān)系 139
人的智力有極限嗎 147
感覺(jué)、意識(shí)、情緒和智力 162
我們的機(jī)體是如何解毒的 180
肥胖與腸道細(xì)菌有關(guān)嗎 193
為什么人類能夠發(fā)出優(yōu)美動(dòng)聽的歌聲 204
感冒為什么難治 213
為什么說(shuō)人屬于“單鞭毛生物” 222
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紛亂中的秩序(2生命現(xiàn)象的偶然與必然)/生物學(xué)通報(bào)科普文選系列 節(jié)選
生命現(xiàn)象的偶然與必然 生命是這個(gè)世界上*美好的事物，地球是生命的大家園。郁郁蔥蔥的森林、鮮花盛開的草原、鳴腔婉轉(zhuǎn)的鳥兒、翩翩起舞的蝴蝶，讓地球充滿“生”機(jī)。人類更是地球上生命*杰出的代表，人類不但能夠作為生物而生存，還能探索這個(gè)孕育生命的地球。如果考察一下自大爆炸以來(lái)宇宙誕生和演化的過(guò)程，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)生命的產(chǎn)生是多么不易。從化學(xué)元素產(chǎn)生到小分子，從小分子到大分子，從大分子到細(xì)胞結(jié)構(gòu)乃至生命出現(xiàn)，真的需要“過(guò)五關(guān)斬六將”，只要其中任何一個(gè)步驟的發(fā)展情形不同，生命就有可能無(wú)從產(chǎn)生。從這個(gè)意義上講，生命的出現(xiàn)是一系列幸運(yùn)事件的結(jié)果。 一、組成生命的化學(xué)元素的產(chǎn)生 人類所處的宇宙來(lái)自137億年前的一場(chǎng)大爆炸。這場(chǎng)大爆炸不僅產(chǎn)生了人類所在的宇宙，更有可能產(chǎn)生了多個(gè)宇宙，這些宇宙可能各有自己的物質(zhì)組成、時(shí)間、空間、物理常數(shù)及運(yùn)行規(guī)律。幸運(yùn)的是，我們這個(gè)宇宙的運(yùn)行規(guī)律，使得生命的出現(xiàn)成為可能。 在爆發(fā)的1萬(wàn)億億億億分之一秒（10-36秒）之后，我們的宇宙己經(jīng)開始急劇膨脹，這時(shí)候組成宇宙的物質(zhì)是夸克、膠子等基本粒子。隨著宇宙的不斷膨脹，宇宙溫度也在不斷下降。這時(shí)宇宙中物質(zhì)之間相互作用的四種力一強(qiáng)作用力、弱作用力、電磁力、重力開始起作用。在1微秒后，溫度降到約1000億°0，基本粒子結(jié)合形成電子、質(zhì)子和中子。幾分鐘后，溫度降到10億。C，一些質(zhì)子和中子結(jié)合，形成重氫（氘）和氦的原子核。這個(gè)過(guò)程叫作“太初核合成”；多數(shù)質(zhì)子不與中子結(jié)合，成為以后的氫原子核。這時(shí)宇宙中*多的化學(xué)元素是氫，其次是氦，二者之間的重量比約為3：1，原子數(shù)比為12：1。此外還有微量的鋰。這是我們?nèi)祟愃幱钪?初形成的元素。20分鐘后，宇宙溫度進(jìn)一步降低，太初核合成停止，宇宙中元素的構(gòu)成被固定，即主要為氫和氦。38萬(wàn)年以后，宇宙溫度大幅降低，電子與原子核結(jié)合，成為中性的原子。這個(gè)時(shí)候輻射與物質(zhì)脫離偶聯(lián)，成為以后的微波背景輻射。 由此可見，在宇宙形成的*初階段，化學(xué)元素就只有氫、氦和微量的鋰。那時(shí)候，組成人體的元素，如氧、碳、硫、磷等，還完全不見蹤影。如果宇宙就這樣均勻地膨脹和冷卻下去，這個(gè)宇宙就只有氫和氦，不會(huì)有恒星和行星，更不會(huì)有生命出現(xiàn)。 幸運(yùn)的是，宇宙中物質(zhì)的分布不是絕對(duì)均勻的，而是存在著微小的濃度差異。由于引力的作用，濃度稍高的地方就開始將周圍的氣體吸引過(guò)來(lái)，使自己的質(zhì)量增大，進(jìn)而吸引更多的氣體。氣體不斷聚集，濃度就會(huì)越來(lái)越大，直至形成星球。**批恒星大約在宇宙大爆炸后4億年形成。在這些星球內(nèi)部，當(dāng)由于重力作用產(chǎn)生的巨大壓力和隨之而來(lái)的高溫達(dá)到一定程度時(shí)，原子核之間己足夠靠近，強(qiáng)作用力（把質(zhì)子和中子等基本粒子結(jié)合在一起的力，只在非常短的距離上起作用）發(fā)揮作用，核融合反應(yīng)再次發(fā)生。這次融合反應(yīng)發(fā)生在恒星內(nèi)部，其過(guò)程只取決于恒星的質(zhì)量所導(dǎo)致的內(nèi)部溫度和壓力，不會(huì)像太初核合成那樣因宇宙膨脹溫度降低而停止。原子核越大，其中正電荷越多，彼此的排斥力越強(qiáng)，就需要更大的壓力和更高的溫度才能使彼此靠近。 例如在太陽(yáng)中，4個(gè)氫原子（1)①聚合變成氦（4)。該聚合反應(yīng)會(huì)釋放出能量，太陽(yáng)就是依靠它發(fā)光發(fā)熱的。但如果恒星質(zhì)量小于3個(gè)太陽(yáng)，反應(yīng)到此就會(huì)停止。所以太陽(yáng)無(wú)法制造地球上各種比氦重的元素，組成人體的元素也不可能在太陽(yáng)中產(chǎn)生。如果星球質(zhì)量大于3個(gè)太陽(yáng)，星球內(nèi)部就有更高的溫度和壓力進(jìn)行“氦燃燒”。這個(gè)“燃燒”不是化學(xué)反應(yīng)，而是熱核反應(yīng)。2個(gè)氦原子融合變成鈹（8)，再加1個(gè)氦原子，就變成碳（12)。如果星球的質(zhì)量大于8個(gè)太陽(yáng)，碳也會(huì)“燃燒”并且每次加上1個(gè)氦。由于氦是以阿爾法粒子（脫掉電子的氦原子核）的形式加上去的，所以此過(guò)程叫作“阿爾法作用”碳經(jīng)過(guò)阿爾法作用可以依次變成氧（16)、氖（20)、鎂（24)、硅（28)。如果星球質(zhì)量大于11個(gè)太陽(yáng)，這個(gè)過(guò)程還會(huì)進(jìn)行下去，形成硫（32)、氬(36)、鈣（40)、鈦（44)、鉻（48)直至鐵（52)。上述所有步驟都是釋能反應(yīng)，星球內(nèi)部也因此變得更熱，有利于反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生。至此，原子己經(jīng)達(dá)到*大束縛能，更進(jìn)一步的反應(yīng)就不再釋出能量，而是消耗能量了。更重的元素只能在更大的星球內(nèi)部，或超新星爆發(fā)時(shí)才能形成。這些重元素分裂時(shí)反而放出能量，這就是裂變?cè)臃磻?yīng)堆和原子彈的工作原理。 星球不是把全部氫燃料耗盡時(shí)才死亡。熱核反應(yīng)主要在星球的核心進(jìn)行，因?yàn)槟抢锏臏囟群蛪毫?高。超新星爆發(fā)時(shí)，噴灑到周圍空間的物質(zhì)主要還是氫，可以再形成星球并再次燃燒。如此，恒星中重元素的含量就會(huì)越來(lái)越高。由于鐵是核融合反應(yīng)所能產(chǎn)生的*重元素，恒星光譜中鐵的譜線也很容易檢測(cè)，天文學(xué)家常用鐵和氫的比例來(lái)判斷一個(gè)恒星是第幾代恒星。從鐵和氫的比例看，太陽(yáng)是比較年輕(也就是比較后形成）的恒星，應(yīng)該屬于第三代星球，是在大爆炸后45.7億年才形成。 所以地球上的石頭（主要成分是硅酸鹽）是太陽(yáng)系制造不出來(lái)的。組成生物（包括我們自己）的主要元素碳、氧、氮、硫、磷、鈣，也不是太陽(yáng)生產(chǎn)的，而是過(guò)去比太陽(yáng)大得多的星球死亡時(shí)，將這些元素噴灑到太空中，成為了太陽(yáng)系形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨便拿起一塊石頭，那里面的元素都比太陽(yáng)的年齡老。同樣，構(gòu)建人體的元素也比太陽(yáng)的歷史悠久。這都要感謝形成了構(gòu)建人體的各種元素但目前不知在何方的巨大恒星。 二、從原子到分子 雖然星球內(nèi)部的熱核反應(yīng)可以產(chǎn)生各種化學(xué)元素及原子，但原子本身并不能產(chǎn)生生命。如果原子中的電子只圍繞自己的原子核旋轉(zhuǎn)，原子之間互不相關(guān)，這個(gè)世界就只能由原子組成，生命也就無(wú)從產(chǎn)生。幸運(yùn)的是，不同原子中外層電子的運(yùn)行軌道可以相互重疊，這樣，這些外層電子就可以同時(shí)圍繞2個(gè)原子核旋轉(zhuǎn)，把這2個(gè)原子“綁”在一起，形成分子。而且同一原子的外層電子還可以跟多個(gè)其他原子的外層電子軌道重疊，例如氧原子的外層電子軌道就可以和2個(gè)氫原子的外層電子軌道重疊，形成水分子。氮原子的外層電子軌道也可以和3個(gè)氫原子的外層電子軌道重疊，形成氨分子。由于氫是宇宙中*豐富的元素，熱核反應(yīng)生成的氧可以和氫反應(yīng)生成水，氮和氫生成氨，碳和氫生成甲烷。 但是這樣形成的分子多數(shù)是小分子，只由少數(shù)幾個(gè)原子構(gòu)成，而生命現(xiàn)象是極為復(fù)雜的，需要各種各樣復(fù)雜的分子。幸運(yùn)的是，化學(xué)元素中有一種元素叫作“碳”，它有4只“手”可以和別的原子“拉”在一起，即可以用4個(gè)化學(xué)鍵與其他原子相連。碳原子之間也可以彼此相連，形成長(zhǎng)鏈或環(huán)。由于形成鏈和環(huán)只占用了碳原子的2～3個(gè)化學(xué)鍵，每個(gè)碳原子還有1～2個(gè)化學(xué)鍵可以用于和其他的功能基團(tuán)相連，這樣就可以組成具有不同結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜分子。無(wú)論是葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸，還是輔酶Q、血紅素，都是以碳原子環(huán)或鏈為骨架的。煤和石油就是古時(shí)的生物遺體被埋藏，在高溫高壓下分解后留下的碳骨架。地球上的生命是以碳為基礎(chǔ)的，碳元素使得生命的出現(xiàn)成為可能。 三、生命所需要的復(fù)雜分子，可以在太空環(huán)境中自然形成 地球上的葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等，都是在生命過(guò)程中產(chǎn)生的。而在生命出現(xiàn)之前，這些分子又是從哪里來(lái)的？如果非生命過(guò)程不能產(chǎn)生這些分子，生命的出現(xiàn)就是一句空話。 幸運(yùn)的是，在巨型星球爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的水、氨、甲烷，以及仍然占元素總量絕大部分的氫，可以吸附在星際塵埃、隕石和彗星的表面上。這些小分子經(jīng)過(guò)宇宙中高能射線的照射，并在星際塵埃和隕石表面礦物質(zhì)的催化下形成各種復(fù)雜的有機(jī)物。例如，1969年9月28日墜落于澳大利亞默奇森的隕石（被命名為“默奇森隕石”，Murchison meteorite)分裂為多個(gè)碎片，總重超過(guò)100千克。取樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隕石上有多種氨基酸，包括組成蛋白質(zhì)的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸，而且沒(méi)有檢出絲氨酸和蘇氨酸（這兩種氨基酸容易在取樣過(guò)程中混入樣本中，造成樣品污染，沒(méi)有檢出說(shuō)明隕石樣品沒(méi)有被地球上的物質(zhì)污染），說(shuō)明這些氨基酸的確來(lái)自太空。此外，這些氨基酸大部分是沒(méi)有旋光性的，即兩種鏡面對(duì)稱的分子都有，更是說(shuō)明了這些氨基酸是非生物來(lái)源的，很可能是碳、氫、氧、氮等元素的化合物被高能射線照射，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。除氨基酸以外，默奇森隕石上還檢測(cè)出嘌呤和嘧啶，即地球生命的遺傳物質(zhì)——脫氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸（RNA)的組成部分。此外，該隕石還含有大量芳香型（環(huán)狀）碳?xì)浠衔铩⒅辨溞吞細(xì)浠衔铩⒋碱惢衔锖汪人幔ê恤然奶細(xì)浠衔铮? 美國(guó)的“星塵號(hào)”探測(cè)器（Stardust Mission)所收集到的星際塵埃也含有芳香化合物和脂肪類化合物，以及甲基和羰基等含碳的功能基團(tuán)。科學(xué)家還在距離地球400光年的原始恒星IRAS16293-422周圍探測(cè)到了羥基乙醛（glycolaldehyde)。羥基乙醛是一種糖類物質(zhì)，它可以在由兩個(gè)纈氨酸組成的二肽的催化下變成四碳糖和五碳糖，如核糖。宇宙中還存在大量的甲酰胺（formamide)，當(dāng)有礦物質(zhì)存在時(shí)，在足夠高的溫度下，就可以產(chǎn)生組成RNA的4種堿基一腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。這些事實(shí)都說(shuō)明，生命所需要的復(fù)雜有機(jī)物可以在太空中產(chǎn)生。 在實(shí)驗(yàn)室中模擬太空環(huán)境也得到了類似的結(jié)果。1953年，美國(guó)科學(xué)家米勒（Stanley Lloyd Miller，1930——2007)在無(wú)氧環(huán)境中將甲燒、氨、氫和水混合。他先將水燒開，再對(duì)混合溶液進(jìn)行放電，以模擬閃電。1周后，混合溶液變成了黃綠色。米勒利用紙層析檢測(cè)到有氨基酸形成，如甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸。1972年，米勒重復(fù)了他在1953年做的實(shí)驗(yàn)，并且使用了精度更高的檢測(cè)手段（如離子交換層析、氣相層析加質(zhì)譜分析）檢測(cè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了33種氨基酸，其中有10種是生物體所使用的。1964年，美國(guó)科學(xué)家福克斯（Sidney WalterFox，1912——1998)采用與米勒不同的方法模擬地球早期的情況。他將甲烷和氨的混合氣體穿過(guò)加熱至1000°C的沙子，以模擬火山熔巖，再利用冷凍的液態(tài)氨吸收氣體，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)生成了蛋白質(zhì)中使用的12種氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸。 四、核糖核酸很可能是*早的生命分子 早期的生命分子很可能是多功能的，因?yàn)榉肿又g各種功能配合還沒(méi)有建立。RNA可以自我復(fù)制，可以催化氨基酸連接成肽鏈，還能把氨基酸連接到RNA分子上，成為tRNA的前身，所以早期的生命分子很可能是以RNA為中心的。 科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)由RNA片段A和片段B連成的RNA片段T具有連接酶（Ugase)活性，能夠把片段A和片段B連成片段T;核酶（ribozyme)B6.61能夠以核酸為模板合成新的RNA鏈，相當(dāng)于具有現(xiàn)在由蛋白質(zhì)組成的RNA聚合酶（RNApolymerase)的功能。 現(xiàn)今，地球生命的蛋白質(zhì)是在核糖體（ribosome)中合成的。真核細(xì)胞的核糖體分為“小亞基”和“大亞基”兩個(gè)部分。小亞基含有33種蛋白質(zhì)，大亞基含有46種蛋白質(zhì)。核糖體中還含有RNA，小亞基含1個(gè)RNA分子，大亞基含4個(gè)RNA分子，總的蛋白質(zhì)的量和總的RNA的量大約是1:1。以往的觀點(diǎn)認(rèn)為，核糖體中的RNA只起結(jié)構(gòu)構(gòu)成的作用，并不起催化作用，因?yàn)椤懊福ǖ鞍踪|(zhì)）催化一切反應(yīng)”的觀點(diǎn)己經(jīng)根深蒂固，幾乎得到所有實(shí)驗(yàn)事實(shí)的支持。然而后來(lái)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，去除核糖體中的蛋白質(zhì)只會(huì)降低但不能消除核糖體的合成蛋白質(zhì)的功能，但是去除RNA卻會(huì)使核糖體合成蛋白質(zhì)的功能完全消失。對(duì)核糖體精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析表明，在合成蛋白質(zhì)的“反應(yīng)中心”（實(shí)際把氨基酸加到合成中的蛋白質(zhì)鏈上的地方）只有RNA分子，沒(méi)有蛋白質(zhì)分子，說(shuō)明蛋白質(zhì)的合成是由RNA催化的。也就是說(shuō)，似乎無(wú)所不能的蛋白質(zhì)竟然不能催化蛋白質(zhì)自己的合成！從*初的生命出現(xiàn)到人類的產(chǎn)生，其間有幾十億年的時(shí)間，蛋白質(zhì)的合成仍然是由RNA催化的，這也說(shuō)明RNA很可能是生命*早的核心分子。 除了催化活性外，RNA分子中的核苷酸序列也可以儲(chǔ)存信息。例如每3個(gè)核苷酸編碼1個(gè)氨基酸（密碼子），這樣RNA的核苷酸序列就可對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)中
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