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第3章 生物演化

科学家推算,大约138亿年前宇宙诞生了,很多年以后地球也诞生了(46亿年前)。我们的话题也就转移到我们最熟悉的、人类乃以生存的星球——地球。

2.1 生命起源

这里说的生命起源,不是地球生物的起源,而是宇宙生命的起源,谈到宇宙生命起源,从何谈起,我们不知道地球之外的星球是否有生命存在,如果有,它们是否同地球上的生命一样是碳原子生命,宇宙中,除了我们已知的碳原子有机物构成的生命外,生命还有多少种形式?它们会是什么样子?最早的生命都不一定诞生于地球,地球生命都不一定起源于地球,各种关于生命起源的学说,争论不休。

前面提到,宇宙充满运动,在各种微观力量(量子力学),宏观力量(万有引力),能量的变化(运动也是能量的一种形式)。有运动,就充满能量变化的可能,按照一定规律奔向更无序的世界(熵增),演绎着物理和化学的变化。宇宙天体多得以亿做单位都嫌小的地步,在亿万年的运动变化中,足以让各种事情都有可能发生,完全能用“一切皆有可能”来形容。宇宙本身就具有无限活力,物质和能量转化一直进行着,非常像是新陈代谢,似乎宇宙本身就是一个有生命的大个体,处于宇宙中的每个星球也都在不断变化,恒星不断发生着激烈的核反应自然不用说,就算是行星,其内部也在剧烈运动,地球上的火山,地震都说明地球内部一直在运动着。他们并不平静,似乎也有生命现象一样,当然这些只能称为运动,和我们所说的生命现象还是有很大区别的。

先撇开宇宙生命的起源,看看我们相对最熟悉的星球——地球。

关于地球生命的起源有很多学说,也有人为了证明自己的学说,做了一些有趣的实验。

有“生物自然发生”的说法:比如,比利时著名医生巴蒂斯特·黑月蒙特认为自然界存在着许多种酵素,借助这些酵素种子和动物才能生长,他甚至认为池塘里的雾气能繁殖出青蛙来。

还有说,原始地球大气是有机分子的诞生地,然后产生了生命。1953年,美国科学家斯坦利·米勒模拟原始地球大气。将氨、甲烷、氢和水蒸气混合在一起,然后对这些混合气体进行放电,获得了氨基酸。米勒的实验证实了地球上化学进化的可能性。

有“火山孕育生命”说法:美国霍普金斯大学的地质古生物学家斯坦利于 1985年提出,在太古代存在深海火山。它的地质条件类似于现代深海洋中脊,生命化学合成的一系列反应就在那里发生,有机分子在那里形成,最后原始生命就在那里诞生。

有“天外起源说”:1990年,美国国家航空航天局的凯文·扎乎勒和戴德·吉林斯扑提出。白垩纪—第三纪界线附近地层的有机尘埃是由于一颗或几颗彗星掠过地球时留下的氨基酸形成的。在地球形成早期,彗星也能以这种方式将有机物质像下小雨一样洒落在地球上,这就是地球上的生命之源。

还有“站立矿物晶体”的说法:很早以前,就有科学家提出,粘土这种地球上最常见的物质是最初的生命物质。黏土矿物是一种微小的晶体.科学家们发现,黏土矿物晶体具有生命系统的某些关键特征。比如,有些矿物晶体可以在有限的程度上模仿植物的光合作用。在紫外线的照射下。某些结构筒单的铁盐溶于水中之后可以使二氧化碳凝固。并将它合成如甲酸之类的小有机分子。

由于生命起源的复杂性和目前技术手段的相对落后,还没办法得出一个令所有人信服的关于生命起源的学说,当然人类将是永生的,我们的探索也会永不停息。

这里并不是来说明地球生命如何从无机物到有机物再到简单的生命诞生。我们并不是在此支持哪种观点,因为我们的重点在生命诞生以后。关于生命起源之谜还是留给以后的人们解答吧,相信他们会更聪明。

本章后面的小节,偏理论,主要讲述的是单细胞怎么变成多细胞的,是为后面机器生物由小变大提供类比之用,如果觉得后面小节枯燥,可跳过直接看下一章。

2.2 生物定义

事先说明一下:对于生物的定义,在全球范围内并没有一个统一的让全世界人民都信服的定义,本书对生物的定义完全是本书作者个人总结的定义,并没有沿用国内生物教材上对生物的定义。教科书对生物的定义更加具体,而本书的定义相对抽象,但能适用于以后将要产生的机器生物或其他生命形式。特此说明,以免让读者产生误解。

生物:一定条件下,能自发制造同自身功能结构非常类似的物体的物体。

该定义保证了在一定条件下,该物体源源不断,永不消亡。另:发起制造活动的物体称为父代,被制造出来的物体被称为父代的子代。有时候也能说有生命(见注)的物体就是生物。该定义适用于宇宙空间其他未被发现的生命形式,并包括智能机器生物等,当然更适用于地球上我们非常熟悉的生命形式了。

解释:

1)一定条件:通常需要很多环境条件,比如有充足的能量供应,还需要有组建另一个物体的物质准备,还有外界条件不能破坏该物体,依据被制造出来的物体的复杂程度,在时间方面也有长有短。该定义在乎结果,而不太关注中间过程,中间过程可能非常简单,像原核生物,也可能非常复杂,像人类。

2)自发:自然界中有很多自发的化学反应,氢气和氟气常温混合就能发生剧烈的化学反应,H2+F2=2HF。自发力量的来源在通常是一种稳定度的变化,化学里面叫做“熵”变。简单理解就是多个处于较高能量状态下的物质反应以后变成能量相对较低的物质,并释放能量。当内外条件满足组建另一个物体的时候,自身毫不犹豫的为组建另一个物体做准备以及完成最终的装备,该物体能尽可能多的持续制造类似的物体。不仅保证该物种的延续,更能让该物种繁荣昌盛。病毒能启动生化过程,复制DNA或者RNA。

3)制造:这里没有用“繁衍”这个词。因为制造更加通用,能适用于人工智能。

4)自身:指发起制造活动的物体;

5)功能结构:结构,指该物体具有的立体空间结构。功能,指该物体具有的各种功能,包括保证自身在“一定条件”下完整的存在,特别重要的是,还有制造“子代”的功能,因此被制造出来的物体也能制造同自身相似的物体,命题本身包含了无限循环的概念。因此生物可以无限循环的发展下去。

6)非常类似:具备最核心的功能,外形构造非常相似。因为子代和父代不是完全一样,其实也就是存在一定的变异性。这种变异性在长期发展中,将表现为生物多样性。

7)物体:生物必须是实在的物体,有质量,有理化性质等。不能是电脑程序,如电脑病毒,也不能是人类大脑的思想等。

生命:生物在完成组装新个体的过程中进行的各种活动就叫生命。结合两个定义也可以说,有生命的物体就是生物。

物种:生物的种类,是人们用来区分不同种类的生物。按照生物的定义,结构非常相似的生物称为同一种物种。非常相似的说法不确定性太大,人为约定的嫌疑很大,是否同一物种或不同物种有专门的机构和人员根据其判断标准进行界定。尽管DNA技术发展非常迅速,但是还没有发展到可以用DNA定义物种的地步,大多只是进行DNA对照。结构不太相似的生物就是不同物种。按照生物的定义,子代和父代会有些不同,尽管已经非常相似,那么经过很多代以后,在不同环境下生存以后,生物多样性就表现出来了,也就会产生不同物种。

其他说明或推论:

1)按照生物定义再结合物质和能量守恒定律:要制造另一个类似的物体,必须从外界获取物质和能量,以组成新个体。因此,生物其实是一个同外界有物质和能量交换的系统。

2)从定义来看:没有寿命的概念,每个父代可以无限地制造子代,子代还能制造子代的子代……是一个无限发展的过程,对于每个个体没有寿命的说明,意味着该生物是永生的。但实际情况是高等多细胞生物都有寿命,这又是为何?那么如何延长寿命?如何能永生?将在后面具体探讨。

3)由于该定义具有循环的概念,每个子代都会重复父代的各个时期,因此生物的任何时期都能称为生物。例如受精卵是生物,胚胎也是生物,未成年人是生物,成年人也是生物。因为受精卵经过一系列过程后相当于又“制造”了结构和功能类似的新受精卵,同生物定义相吻合。

2.3 单个体生物——微生物

也许是我们研究的最基本、最简单的、可以称为生物的物体。就如同宇宙诞生时候最基本的氢元素。单个体生物相当普遍,在我们生活的周围有很多,我们天天要和他们打交道,但是因为太微小,肉眼无法看见,需要借助显微镜才能看到这些微生物的存在,例如病毒、支原体、衣原体、各种细菌等等,都是单个体的。

病毒:它是由一个核酸(DNA或RNA)长链和蛋白质外壳构成,结构非常简单,属于非细胞型生物;病毒必须寄生在活细胞中才能进行繁殖。虽然病毒不属于单细胞生物,但属于单个体生物(相对于多细胞生物来说)。虽然病毒很特殊,病毒的复制跟细胞核的复制过程类似,因此并不打算单独拿出来说明,因为并不是本书的重点。

关于这些微生物的详细介绍,可以看专业书籍,例如《细胞生物学》任何一本都有。下面简单介绍一下细胞周期、原核细胞、真核细胞,简单了解,也可以跳过

2.3.1 细胞周期

细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程,所需的时间叫细胞周期时间。人为的分为四个阶段,方便描述:

①G1期(gap1),指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间;

②S期(synthesis phase),指DNA复制的时期;

③G2期(gap2),指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间;

④M期又称D期(mitosis or division),细胞分裂开始到结束。

另一种分法:细胞分裂间期和细胞分裂期

细胞分裂间期:从细胞在一次分裂结束之后到下一次分裂之前

细胞分裂期:分为前期,中期,后期,末期。

不管怎么分,都是为了描述同一过程,我们这里的目的是,只是让您大致了解细胞从一个变成两个的过程(病毒也类似,只是病毒没有细胞结构,单纯复制核酸和蛋白质外壳)。选择哪种记忆方式自己根据自己的实际情况选择。

2.3.2 原核生物

有核区,但没有核膜。例如细菌。那么如何发展到真核生物呢?某种机制下,细胞内部有一些分工,把主要功能联系紧密的放在一起。

2.3.3 真核单细胞生物

具有明显的细胞核,细胞核内外物质之间有一层膜隔开。细胞核结构齐全。原核细胞没有。如何从原核细胞进化过来的呢?我们不清楚这个进化过程,但是已经能感觉到在小小的细胞中,已经开始有一定的分工和活动区域的限制了,防止细胞核被干扰,保证遗传物质的安全,真核生物遗传物质控制细胞活动将通过能穿透核膜的物质进行。不是每种细胞物质都能穿过核膜的,这个也是细胞内大分子物质分工的一个表现。

2.4 过渡生物——中生生物

中生动物和中生植物统称中生生物,是单细胞生物过渡到稳定的多细胞生物的中间过程,了解此过程,对于了解多细胞生物抑癌基因发生机制,对于治疗癌症,甚至对于延长寿命都有很大的帮助。

有些中生生物,有时候会散开,每个细胞都能正常地获取营养和繁殖,有时候这些散开的细胞又会汇聚到一起,形成有细胞分化的多细胞生物。

2.4.1自私的单细胞生物

简单的单细胞生物其生命活动相对来说更容易用物理化学描述,为何说单细胞生物是自私的呢?单细胞没有神经系统,不可能存在自私的想法,但是从它们的外在的行为来看,似乎是自私的,因为他们从来不会管其他生物,它们只会遵循着物理和化学的规律从外界获取物质和能量然后大量分裂生殖。

在一个有机质非常丰富的环境中,细菌(典型的单细胞)会成几何级数增长,每个细菌拼命的获取物质和能量,进行DNA复制以及其他细胞器的合成,时机成熟后就分裂成两个细菌,它们的繁殖行为没有任何节制,也不会去管资源用的太快可能导致集体饿死,这种简单的单细胞生物如同生物定义里面描述的那样拼命的繁殖后代,这种行为对比多细胞生物(如人)中的每个单细胞来说,就显得很自私了,人体每个器官中的正常细胞都不能无节制的繁殖,每个正常细胞都同其他细胞协同工作,消化系统的每个细胞并不会将营养物质全部归为己有,而是进入循环系统,每个细胞按需从毛细血管中获取营养物质,消化系统的细胞也不例外。

相对于多细胞生物体内细胞的分工合作以及有节制的无性繁殖来说,单细胞的只管自身繁殖的“无政府”状态就显得很自私了。

2.4.2 营养细胞和生殖细胞的分化

现在还无法确切知道单细胞生物发展为多细胞生物的真实过程。但是我们通过团藻以及中生动物的一些特性介绍,来说明一些问题。

团藻这种单细胞群体中,出现了营养细胞和生殖细胞的分化,具有有性生殖和无性生殖两种繁殖方式。

中生动物是一类结构简单的动物,有菱形虫纲和直泳虫纲。

菱形虫纲的动物虫体由20—40个细胞组成,细胞数目在每个种内是恒定的,这些细胞基本上排列成双层,外层是单层具纤毛的体细胞,包围着中央的一个或几个延长的轴细胞,体细胞具有营养功能,轴细胞具繁殖功能,同时有无性生殖和有性生殖;

直泳虫纲成虫多数雌雄异体,外层亦为单层具纤毛的体细胞,体细胞中央围绕着许多生殖细胞(卵或精子),少数种类成虫雌雄同体,其精细胞在卵细胞的前方,没有轴细胞。性成熟后雄性个体释放精子到海水中,精子进入雌性个体内与卵受精,并在雌体内发育成具纤毛的幼虫(一层纤毛细胞包围几个生殖细胞)。幼虫离开母体又感染新奇主。当幼虫侵入寄主组织,其外层具纤毛的细胞消失,生殖细胞多分裂形成多核的变形体,变形体由无性的碎裂方法产生很多变形体,然后由它们发育成雌、雄个体。

这些中生生物已经开始功能分化了,营养和生殖的分化,但同时也保留最基本的分裂生殖方式,这种分化由原来在单细胞内细胞核区进行的遗传物质复制和结合变成了遗传物质在体内的复制而在细胞体外的结合。高等动物体内也保留有无性繁殖,例如人体,器官细胞的更新还是通过分裂生殖产生新细胞的,尽管整个个体的繁殖是通过有性生殖方式。

根据生物的定义,要“制造”子代,必须从外界获取物质和能量,也就是营养功能,获取到物质和能量以后就是“组装”新个体了,也即繁殖功能。中生生物营养和生殖功能的分化是符合生物定义的。生物的大部分时候都是在进行这两大功能,只是如何才能更好地获取营养物质以及繁殖更好的子代的问题。

2.4.3 为何组成多细胞生物

单细胞生物为何要组成多细胞生物呢?目前地球上单细胞生物和多细胞生物同时并存,并且数量都很庞大。

所谓物以类聚,也是有一定科学依据的。很多的水分子在一起会很形成水滴,很多小水滴在油里面不会溶解,而会汇聚起来成一个大水滴,有机大分子在水中能聚到一起,水面上的小油滴可以互相溶解合并,形成大的油滴。有些脏衣服需要用油才能洗掉上面的油渍……这些在我们日常生活中经常会碰到,化学中叫做相似相容原理,其实也说明了,具有相似结构的物质会聚到一起。毕竟低等细胞不是人类,没有思维,不懂得群体的力量大,更加适合生存这样的道理。那么单细胞生物汇集在一起又是什么力量呢?是否也是前面提到的相似相容类似的原因呢?不过这种可能性比较大(可能性大并不表示就是这个原因,毕竟在水中的单细胞并不都是团聚在一起的),也可以这么来解释,当单细胞生活的水环境中有大量的有机物质的时候(也就是说食物非常丰富),那么单细胞生物就会大量繁殖,具有相同DNA的细胞距离会非常靠近,当生物量太大以致于食物不足的时候,必然会有部分细胞饿死,而部分具有相同DNA的细胞交织在一起(细胞膜都是有机分子,比较容易聚在一起)形成不太稳定的中生多细胞生物,一方面个体大了以后就能吃掉那些死去了的细胞(含有丰富的有机质),另一方面此时的多细胞生物个体的繁殖速度会被限制,不会那么快了,因此整体对外界要求的食物就会比原来每个单细胞要求的食物加起来的总量要小,因此能度过难关(等到度过食物短缺时期以后,这些中生生物逐渐稳定,而没有再回到单细胞状态)。另外,多细胞高等动物都是由单细胞的受精卵开始,渐渐分裂,而且是聚集在一起的,也许说明原始的中生生物就是单细胞生物个体繁殖并聚集在一起而逐渐演化来的。那么这里有一个假定就是最原始最古老的多细胞可能起源自大量的水环境下(也许是海洋,也许是其他水环境),当这种多细胞生物逐渐稳定以后,可能不一定一直生活在水环境里面了,也可能到陆地生活。

这里的从单细胞向多细胞的中生细胞生物进化的过程,更多的是一些物理化学规律,而优胜劣汰的自然选择在此处没有很好的体现。因为到目前为止,单细胞生物还是照样生活在地球上,并没有被进化过程中的多细胞生物取代。他们仍然是共同生活着,只是各自的生存环境和生存状态有所不同,才使得各自生活的很好。一旦生活环境有变化,单细胞的生物也能汇聚形成中生生物,同样,中生多细胞生物也可能分散成单细胞状态。类似地,化学中有平衡反应这个概念,一定条件下,化学平衡会向正向移动,但是在另外的条件下,化学反应也会向逆反应方向移动,关键就看外界条件了,这里的外界条件指外界给系统的物质和能量的情况,适合生物系统也适合化学平衡反应系统。

多细胞生物的食物范围进一步扩大,不仅包括原来的食物,还可以是比其小的单细胞生物,从而将其推向了食物链的上一级,食物范围的增大,意味着较原来单细胞时候的食物丰富了很多,使得这样的多细胞生物较易存活并大量繁殖。这种通过吞噬或包裹的方式获取食物的单细胞生物和中生生物,主要通过增加体型大小以提高食物来源。

如同单细胞演化成多细胞生物一样,多细胞也能演化成更多细胞数量的多细胞生物,会形成细胞数更多、功能更加复杂的较高等多细胞生物,而不仅仅只有几十个细胞的个体而已,其功能分化将会越来越细,不仅仅是营养细胞和生殖细胞,由于体型的增大,很多管理问题需要解决,众多细胞的协调,细胞间的快速通信等。后来产生神经系统的生物变成更大多细胞的原因则不完全是成为食物链的上一级,这个在多细胞生物中还要讲到。

2.4.4抑癌基因

我们知道,单细胞生物具有无限繁殖的功能,只要物质资源足够丰富,就会不断繁殖下去,他们对外界营养物质的需求也是没有止境的,但是当他们要形成多细胞生物的时候,必须有所克制,他必须履行他自己肩负的责任,而不是一味的繁殖自身,对于分化为营养细胞的细胞来说,从外界获得的营养不单单只留给自己,还需要分配到生殖细胞那里。而且细胞活动也相应的受到一些限制。必须履行正常的生理功能,单细胞在聚合成中生生物的时候,既具有原癌基因,同时也在渐渐的形成抑癌基因。原癌基因从生物诞生的时候就具有,并且是根深蒂固的,没法改变。而抑癌基因则是后来才形成的一种多细胞共同生活的一种部分抑制功能。除了抑癌基因,其实还有很多其他功能特性的抑制基因,用于抑制某些蛋白质的合成,从而达到抑制某项功能(及其相关功能)的作用。这种抑制的作用机理可能是编码新的蛋白质,具有中和或者抑制某些原来蛋白的作用的功能。根据生物的定义就知道,原癌基因的这种不断复制自身的功能特性是生命的内在要求,而抑制作用只是临时性,具有相对不稳定性,一旦外界环境不适合整体生存,这种抑制作用就会失效,那么原癌基因就会继续表达,从而发生癌变。多细胞中不履行正常功能的细胞我们称之为癌细胞。我们知道癌细胞是正常的体细胞癌变成的,其基因和其他细胞一样,但是却不履行正常生理功能,而是获取体内营养物质不断的繁殖自身,而成为永生细胞。永生细胞自己永生了,但是对于整个多细胞生物个体来说却是致命的打击,癌细胞可能影响到正常的生理功能,甚至影响其他细胞功能,最终整个多细胞生物体都受到影响,如果是营养细胞癌变,那么其他细胞将得不到足够的营养供应,导致生殖细胞饿死或者也发生癌变,最终个体就又分解成一个个的单细胞。这是中生生物的一些情况。

当然上面的这个过程从来没有停止过,在高等的多细胞生物中,这种情况时有发生,当生物个体生存状态恶劣的时候,某些抑制作用就会失效,局部细胞就会发生癌变,从而产生肿瘤。抑癌基因应该是在中生生物产生的,寻找癌症治疗方法,可以通过多研究中生这种过渡型生物获得答案。

当外界条件适合形成多细胞的中生生物的时候,这种多细胞生物就会大量繁殖,当种群数量非常可观以后,经过遗传与变异,这种遗传稳定性就会被记录在DNA中,从而实现了带有抑癌基因的稳定遗传。至于“抑癌作用”如何记录到中生细胞的DNA中,也许是基因突变(由于有相当数量的种群,总会有一些发生基因突变的,这种突变刚好是产生抑癌基因,那么就能形成稳定的多细胞生物了,而不再是中生的过渡型生物);也许是定向的作用,而不需要基因的突变,那么如何定向。在不稳定的多细胞中,细胞多少体内可能本身就有一些具有抑制自个无限制繁殖的蛋白质和其他物质,这些具有抑制细胞作用的物质可能渗透到该多细胞的生殖细胞中,在生殖细胞中,会反作用于DNA,从而产生抑癌基因片段,并通过有性生殖遗传下去,这种抑癌基因片段并不是一蹴而就,可能需要不断完善,形成抑癌基因并不是在某一个生物体内进化着,而是在这众多的中生生物体内进行中,有些会成功,有些会失败,成功的将会大量繁殖成一种非常稳定的多细胞生物。我们可以联想一下具有思维的人类是怎么创立创业型公司,怎样创立社团,怎样加入公司的,过程和实现机制非常类似,创立的公司和社团不一定都能生存,但是总有一些成功的,成功的就表示他们适应当时的生存环境,顺应当时社会发展规律。创立组织和社团需要大家志同道合,互相自觉遵守纪律,加入某个组织同样需要克制自己一些自由自在的行为,而必须顾全大局,顾全整体,因此也是需要自己抑制自己的。

抑癌基因到底是什么?可以理解成编码一些蛋白质和其他物质,对细胞生长具有负调节,其功能就是形成一些细胞规则,多个细胞共同相处的规则(人类社会也是这样,既然大家共同生活在一个社会里面,就应该互相帮助,互相体谅,建立和谐社会,这样整个国家就能更好的发展下去),这些细胞行为必然不像以前那样只顾自身繁殖了,而必须同整体协调一致,在某些方面的行为特性受整体的控制。

2.5 多细胞生物

在过渡型生物那一节中已经提到过一些多细胞生物的例子。过渡型生物渐渐稳定遗传以后,多细胞生物就逐渐向大规模方向发展,多细胞生物的数量增长非常迅速,越来越成为食物链顶端的生物。倒不是说自从有了多细胞生物这种有优势的生物以后,就淘汰了单细胞生物,实际情况并不是这样的,单细胞生物照样生活的很好,几乎无所不在,而且多细胞生物尽管已经相对比较稳定了,但是随时有回到单细胞状态的可能(例如癌变成很多单细胞后,每个癌细胞都具有癌变前的DNA,癌细胞永远不灭,则保证了此DNA不灭。至于癌细胞是否又可以恢复成正常细胞呢?应该是可以的,只要癌细胞周围的环境改善,整体的生活状态改变就有可能,虽然几率很小,但是仍然有癌症病人不用治疗而自己恢复健康的例子,自然恢复健康可能是癌细胞死亡,不一定是恢复成正常细胞,但是现在医学上面也在研究让癌细胞恢复正常,在外界环境的影响下,让这种无节制的癌细胞的抑癌基因重新正常起来也许能做到。所以以后技术发达了,治疗癌症将是比较容易的事情)。

人类社会都是群居的例子。不仅是群居,在小范围内,人们会形成小的组织完成某些事情。高等生物中的这种群体现象和单细胞向多细胞变化的原因是否一样?当原始部落的原始人外出捕猎猛兽或其他大型动物的时候,当我们不局限于做小事情的时候,大事情却需要很多人来做,这时候就需要组成一个团队或者一个企业,当统治阶级要抵抗强大的外敌的时候等等这些或大或小的生存压力的时候,我们就有提高改造自然的能力的需求,即提高生产力的需求,因为高等动物有一定的思考能力,因此使得这种意识具有一定的定向性。进化也就具有了一定的定向性,而不完全随机了,后面也会详细谈到。

多细胞生物为何会越长越大(单细胞为何也是有长大的趋势),不是进化论所说的大个体是优胜劣汰引起。而是小个体本身有这样的生存需要,尽管有长大的趋势,但是也不是无节制的长大,在个体体型大小中会谈到。

团队合作,对于高等神经生物来说,当每个个体均感到有危险,或生存压力或感觉个体的力量难以应付的时候,这种合作通常就是自发的了,团队会让他们更安全同时团队让他们捕猎的成功率更高,高等生物界有很多群居动物,从中不难发现团队合作对它们生存的重要。

单细胞聚在一起成为多细胞生物,每个细胞分配食物可能少,但比没有好,挨饿总比饿死强,支撑过了食物短缺期就胜利了,多细胞生物的食物范围扩大了,可以吃那些小的单细胞生物,也是能很好生存下来并大量繁殖的原因。

2.5.1 细胞分工

为何有细胞分工,根据生物的定义,任何生物个体所肩负的使命都是一样的,笼统来说就是营养和繁殖这两大任务(其他功能将作为扩展功能,例如高等生物的防御等)。

简单的原核单细胞生物所有的活动都在细胞内完成,从外界获取营养物质,然后简单的“消化”后,留下有用的物质,排出无用和多余的,等物质筹备差不多了,DNA复制的差不多了,就开始细胞分裂,成为两个细胞(大部分分裂成两个细胞),从而完成繁殖功能。在细胞内部,负责营养消化的可能是一些蛋白质或者其他生物大分子,而在多细胞生物中,却是由一些细胞负责这些功能,

专门细胞负责专门的分工。这种状态在单个细胞非常小的时候(小细胞能完成很多事情,所有事情都能,包括消化食物等,人体八大系统中的消化、呼吸、循环、生殖等功能都有体现)。

在中生生物的形成过程中提到,单细胞分裂以后依然非常靠近,这样具有相同DNA的细胞团聚在一起,开始有一些细胞分工,具有行为意识的人类在组成团队的时候也有分工,但是前者是没有意识的,必须依靠化学方面的反应原理来实现细胞分工,这部分的化学进化过程还不清楚,尽管不清楚这个过程的演化途径,但是从中可以得出一些推断,一、单细胞之前的无限制的繁殖被限制住了,这种特性比如在DNA中通过基因的方式记录下来,我们称为抑癌基因,抑癌基因不是一蹴而就,也不是一成不变,而是在不断的进化和完善中;二、负责营养的细胞必须不能独享食物,而应该将直接营养物质或者经过消化后的营养物质以及能量贡献出来,给其他种类的细胞一块生存;三、所有上述都必须保存在DNA中,以保证稳定的遗传给下一代。上述特性在各个变化阶段其相关物质可能会影响到生殖细胞DNA的活动,这些影响导致DNA进化具有一定的定向性,而不是完全随机的基因突变。关于进化的定向性在人类进化中有更多的描述。

另外,多细胞生物装配子代的方式(繁殖方式)为何通过单细胞完成?具体来说,人类为何总是从受精卵发育成整个个体?而不像单细胞生物产生子代一样,完全准备好了子代的一切后分裂成一个完成的子代个体?多细胞生物的个体发育史,是否就是该多细胞生物从单细胞到多细胞生物的进化史呢?例如人类从受精卵开始的那一刻,胚胎各个时期的外形和功能特性就表示人类进化过程中经历的某个阶段吗?黑猩猩,鱼类,人类胚胎发育过程中的形态对比,发现了很多惊人的相似性,其实并不完全是这样的,受精卵发育过程是一个快速的过程,而且是一个不可随便中断的过程(中间中断很可能夭折,而不会停留在所谓的进化过程中经历过的那个阶段去生活),这个有点像DNA复制阶段,这个过程是环环相扣的,随意惊扰很可能导致畸形,某个部分的发育在最佳时期没有进行,或者过渡都是一种畸形。发育过程中的细胞也是具有协同和分工的。

现代社会,强调合作,人多力量大,当个体的能力已经发挥到极限,能做很多事情以后,其中有团队做出了一些大项目,而且是短期的,那么他就有竞争力。如果将团队看作是一个大的个体,那么这个大个体就是群体中的优胜者。个人如何超越此个体?那么只有更多的在一起。

2.5.2个体体型大小

麻雀虽小,五脏俱全。我们知道人出生以后,八大系统都有,但是每个器官都比较小,细胞总数也少,到成人的过程都是在体外完成的(禽类个体也是从禽蛋孵化出小禽,在外界长成大个体的成年禽)。幼崽在成长为成体的时候,也是进化的一个阶段,就是各个器官和组织协调地扩大(不一定等比例),其处理能力将更强。个体增大了,同小个体相比,生存能力更强。那么似乎越来越大了?但实际情况是,个体没有无限制的长大。就算是世界上最大的动物,也就那么大体型。

人类或者其他动物,体型大有很强的生存优势。最大能到多大?长颈鹿再高也不能冲破云层,那里氧气稀薄,心脏压力是否足够将血液输送到头部等等。海洋中体型最大的动物鲸还能再长些吗?需要怎样才能更长?人类还能长的更高大吗?怎样才能做到?

先避开这些让人头大的问题,让我们回顾一下多细胞的进化历史。单细胞到中生生物到相对稳定的多细胞生物,在单细胞生物中,所有细胞物质都在一个小的环境里面,化学信号传递非常快速;到了中生生物,通常是几个细胞,而且大多双层结构,细胞信号传递通过化学途径传递也能比较及时,各个细胞也能相互协调;越往后发展,生物个体越大,此时的多细胞生物已经发展到成千上万,有的生物个体细胞总数是以亿作单位的,那么个体如何保证,某一区块细胞被烫,而另一边甚至是整体都会立即做出处理反应的呢,如果不立即避开温度高的物体,那一区块的细胞将会死亡,而使得局部功能受到影响,进而影响到整体的存活,因此在生物进化过程中,部分细胞渐渐的演变成了神经细胞,负责快速传递信息,这种信号通常是电信号,起初的神经细胞主要是植物神经,做出快速的应急反应,通常是化学信号。个体大了以后,还有营养的运输是否到达每一个细胞,相应的循环系统也就产生了,其他系统也都协调的产生了,至于中间的具体过程,以及是否有先后顺序,没有考察过。

从简单的单细胞到简单的多细胞生物,本身就涉及到细胞之间的协作,细胞数目再大一点,信息共享是否及时又是一个很大的问题,个体体内细胞总数的多少还与信号传递,营养物质传递速度有很大关系。当然这些问题都一一解决了,它们建立了信息高速公路——神经,它们也解决了营养物质和废物等问题,产生了营养物质高速公路——血管……

神经的产生,对于生物来说是一次重大的“科技进步”,这种科技进步,可能是偶然的,也可能是定向的,在人类社会,科技进步也同样有偶然的,也有定向的科技创新。中国四大发明之一的黑火药的发明,偶然的成分占多数,后面人们才知道硫磺木炭土硝三者混合能发生爆炸;而雷达的发明,更多的则是军事上面的定向需求,军事上有这个方面的需求,于是就投入资金定向研究。

同样的在人类社会,社会的体型(一个国家,一个组织的大小真的越大越好吗)多大合适?必须结合当时的生产力水平。在中国古代,信息很不发达,社会信息沟通不及时,常常是边关告急,朝廷需要一段时间才知道这事,等支援部队过去了,恐怕早已经沦陷,因此那时候的国家也不可能非常的大,大了也管理不过来,后来秦始皇统一六国以后,修筑万里长城,修筑快速军事通道,修运河快速运输战略物资等。如果生产力水平不高,也修筑不了这么多工事,没有这些信息快速通道和响应通道,恐怕也管理不了这么大一个国家。不光是信息反馈及时,还要有足够的营养物质供应。总营养物质太少,而细胞总数太多,则必然有饿死的,各个器官也不可能大,整个个体也不可能很大。

古代大的国家解体类似国家的体型相对太大(中国秦始皇时代),国家要长期统一,并且要不但壮大,就必须在各个方面有很强的实力,因此必须提高生产力,创造更多的社会财富,提高生产力,则必须进行科技和文化的创新,相应的社会也需要改革,这样社会就会进步,将越来越靠近理想社会。

总之,生物个体的体型不是想要多大就多大,是一个循序渐渐的过程,需要整体各个器官组织功能的强大,和彼此的配合。

群体的大小到底是指群体数量的多少,还是需要获取的食物的多少,例如蚂蚁数量很大,但体型很小,所需要的食物非常少。因此能有很多成员。当然可以整体性的看待群体大小,外界的资源是否够丰富,如果很丰富了,群体表现出来的生产力是否能满足全体成员的物资需要,群体中成员的协同好,则会表现出大于单个个体生产力的总和,反之,协同差,将会影响整体生产力,要么改善这种协同,要么会自然的减少群体中成员数量。

2.5.3发育快慢

有的生物发育会非常快,而有的却非常慢。哺乳动物中,大象的孕期长达两年,而鸡蛋孵化只要28天左右,有的动物几个月就能长成成体,而有的则需要几年,甚至十几年才能成为成体。这个和个体大小有关,也同个体的生命周期有关。

生物都具有相同的使命,有的完成的快,有的完成的慢。繁殖能力强,发育快的动物就一定会成为占领整个世界?生态系统的平衡又是如何在基因水平控制处于食物链不同等级动物的繁殖能力的。

需要说清楚这些,绝非易事,目前还没法说清楚,需要很多的证据,考虑到在后文中所占的分量不大,加上收集资料需要很长时间,先搁置一下,不做讨论。

2.5.4神经的产生

在个体体型大小那一节提到过神经的起源。在单细胞生物体内的信号传递已经很快速了,这种信息通常是化学物质作为信号分子。到了多细胞生物阶段,特别是细胞总数非常大的时候,如何知道每个细胞的情况,如何将一端的信号传递到另一端,以及如何快速做出响应,都是非常重要的需要解决的问题。神经的产生解决了这个问题,

神经的产生方便全身各处的信息沟通。而且是非常及时快速的。保证个体的完整性。保证个体快速摆脱外界的不良影响,以及及时获取外界的营养物质。

单细胞和低等多细胞(海绵)没有神经系统,由细胞本身对外界环境变化作出反应。多细胞的腔肠类动物(如水螅)才开始分化出神经细胞,此种神经细胞彼此交织成网,形成弥散型的神经组织。当体表任何处受到刺激,兴奋沿着神经网迅速传到各处,引起全身性的收缩反应。

起初的神经系统主要是植物神经,后来发展了动物神经,并使得高等神经生物具有思维能力,相应的获取外界信号的方式由单一的接触,到后来可以利用空气振动(声音)以及光线获取外界信号。在食物识别方面,具有了味觉,在呼吸方面具有嗅觉。

这些感觉的产生和动物的生存息息相关,这些感觉建立在神经的基础上,大大提高了动物的生存能力。

后面说到的高等动物的行为,以及精神世界的运作与神经的关系非常大。

2.5.5血管的产生

人体的八大系统都很重要,而且是互相协作,缺一不可,这里只用循环系统中的血管为例说明,为何单独将血管的产生拿出来说,而不是循环系统,一方面由于循环系统包含血管,还有心脏等,讨论起来更加复杂。我们先从简单的入手,因为涉及到同人类社会的类比,而血管的产生具有里程碑的意义,为按需分配的实现方式提供了很好的生物学参考。

前面说过,高等多细胞生物体就是一个“细胞群的最高级社会”,是生物化学进化的高级阶段,从自私的单细胞生物,逐渐进化到中生生物,再到功能分化完备的高等的神经生物,就拿人体来说,人体细胞总数以亿万记(科学家估计的数据中,最少的也有60兆,6后面跟13个0),这么多的单细胞汇集的一个大家庭,每个细胞都各尽其责,各尽所能,按需分配,协调的非常好。每个细胞的营养,都由循环系统提供,循环系统中的红细胞一直运载着营养物质,经过每个细胞的时候,体细胞按需要获取营养物质,这种获取行为当然是遵循物理化学原理的,通常是浓度高的渗透到浓度低的环境,当体细胞的营养物质浓度很低的时候,就会从动脉血(含有较高浓度的营养物质和氧气)中渗透进入体细胞中。所有的营养都是统一由消化系统处理好变成能被利用的营养物质以后,经过肠胃的毛细血管进入血液,再由动脉输送到全身各处。每个细胞都是公平的,都能接收到营养物质。并且将代谢的废物也通过血液携带到相应脏器排出。

血管如同体内的高速磁悬浮轨道公路,毛细血管如同羊肠小道,联系着每个个体;血液中的各种成分就如同在轨道车中的各种食物、装置、医疗人员、警务巡逻人员等等。血液中的白细胞,就好比是“警察”,能吞噬外界入侵的病菌以维持血液中成分正常,维持体内环境稳定。血液中的血小板如同能快速凝固的材料,当有血管受到外伤破裂,血小板就迅速堆积并凝固堵住缺口。如此等等功能,应有尽有。循环系统除了营养每个体细胞外,还有防御的功能,主要对抗微生物的威胁,如淋巴细胞和白细胞都有吞噬病菌的作用。

血液循环系统还有快速将食物传到任何个体的能力,血液循环人体一周只需要20秒左右(不同状态下会有些波动)。这样能保证营养充分供应到每一个体细胞,不管距离心脏多远的,同时代谢废物都能及时排出,不至于毒害到细胞。

除了神经和血管,还有器官和组织的产生,在此不一一列举,太多,篇幅限制。其他可以类推,等看完后文,类推会变得更容易。

2.6 小结

本章介绍了一些关于生命演化过程中出现的大事情。当然也没有面面俱到,有选择性地挑选了一些后面可能涉及到的。

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