組成生命的化學元素從哪里來?它們又如何聚集成為分子,進而演化出最初的生命?多細胞生物中不同類型的細胞從何而來?各種巧奪天工的生物結構是如何形成的?生物怎樣發(fā)展出雄性和雌性?感覺是怎樣產(chǎn)生的?又是什么分子的變化使人類從靈長類中脫穎而出?
《生命簡史:從塵埃到智人》一部從分子水平上,探討和描述生物演化過程的關于生命的“內史”。帶領讀者從分子和基因的角度來理解各種生物結構、功能形成和發(fā)展的歷史。
生命史有兩種寫法。種是按照時間順序,寫出生物自產(chǎn)生到現(xiàn)在所經(jīng)歷
的主要宏觀事件。由于生命的形成和發(fā)展依賴于地球上的環(huán)境,生命活動又反過
來改變這些環(huán)境,生命史就始終與地球史緊密交織。讀這樣的生命史,猶如坐上
時間飛船,回到地球遙遠的過去,目睹地球形成,地球表面冷凝為地殼,海洋和
大陸出現(xiàn),板塊運動,大陸漂移,造山運動,火山爆發(fā),隕石撞擊。在這些環(huán)境
條件下產(chǎn)生原核生物(細胞中沒有細胞核的生物),原核生物變?yōu)檎婧松铮?br />
胞中有細胞核的生物),單細胞生物發(fā)展為多細胞生物,植物和動物分道揚鑣,
生物登陸,植物從苔蘚植物發(fā)展到蕨類植物再到種子植物直至開花植物,動物從
無脊椎動物發(fā)展到脊椎動物,再發(fā)展到兩棲動物、爬行動物、鳥類和哺乳類動物,
直到人類出現(xiàn)。在40億年左右的時間內,生命經(jīng)歷過漫長的緩慢發(fā)展階段,又
迎來過爆發(fā)式發(fā)展的時期;生命有過大繁榮,也遭遇過多次大規(guī)模的滅絕。地球
上的生物就是在這樣的和風細雨和驚濤駭浪交替出現(xiàn)的環(huán)境中,頑強地生存下來,
并且從初的共同祖先發(fā)展成為目前的數(shù)百萬種生物。
這樣的生命史動人心弦,讀之猶如看一場精彩的科普電影,使人心潮澎湃。
然而,這樣的生命史提供的只是宏觀歷史事件,而沒有生物產(chǎn)生和發(fā)展的內部機
制。生物是由分子組成的,這些分子從哪里來?它們又如何聚集在一起,產(chǎn)生
初的生命?細胞如何分裂?原核細胞又是怎樣變成真核細胞的?單細胞生物怎樣
發(fā)展為多細胞生物?多細胞生物中不同類型的細胞如何形成?是什么分子使細胞
發(fā)展出吞食能力,導致動物的誕生?這種吞食能力又如何導致植物的誕生?各種
巧奪天工的生物結構是如何形成的?生物怎樣發(fā)展出雄性和雌性?生物如何防衛(wèi)
自己?生物自帶的“鐘表”怎樣工作?感覺是怎樣產(chǎn)生的?是什么分子的變化使
人類從靈長類中脫穎而出?這些問題都不能從種生命史中得到答案。
在過去的幾十年中,生命科學有了爆炸式的發(fā)展,特別是對基因和蛋白質的
研究,使人們在分子水平上對生命現(xiàn)象有了深刻的理解。基因控制著生物的性狀,
生命的演化其實就是基因的演化,通過它們編碼的蛋白質得以實現(xiàn);虻淖兓
存留在各種生物的遺傳物質脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)中,有
清晰的脈絡,成為生命演化的分子化石。就像生物的化石記錄能夠讓人寫出
種生命史,存留在DNA中的分子化石也使我們可以寫出另一種生命史。種
生命史是在宏觀規(guī)模上,從外部來觀察生物演化的歷史,是生命的外史;第二種
生命史則是在分子水平上,從內部來看生物演化的過程,是生命的內史。
本著這個想法,我自2011年起,在“科學網(wǎng)”上發(fā)表了一系列科普文章,
受到讀者的廣泛歡迎。2013年,應北京師范大學鄭光美院士的邀請,我開始在《生
物學通報》的“生物探秘”專欄內定期發(fā)表文章。2014年,清華大學出版社的胡
洪濤老師提議將我發(fā)表于“科學網(wǎng)”上的部分文章集書出版;幾乎在同時,北京
大學出版社的王立剛老師建議在這些文章的基礎上加以擴展,全面系統(tǒng)地在分子
水平上介紹各種生物功能的形成原理和發(fā)展過程。這兩個建議都已經(jīng)付諸實施。
2015年4月,清華大學出版社出版了《上帝造人有多難——生命的密鑰》,此書
隨即被中國圖書評論學會評為2015年7月“中國好書”。由北京大學出版社出
版的《生命通史》耗時5年,于2019年6月出版,此書被《南方都市報》評為
2019年“中國十大好書”之一。2019年,經(jīng)鄭光美院士提議,我在《生物學通報》
上發(fā)表的部分文章被匯集成書,由科學出版社出版,書名為《紛亂中的秩序——
主宰生命的奧秘》。
《生命通史》一書近80萬字,在分子水平上系統(tǒng)地敘述了生物所有主要功能
產(chǎn)生和發(fā)展的歷史。此書以科普的形式寫成,但是仍然有一定程度的專業(yè)性,適
合有生物化學基礎的人閱讀。為了讓更廣大的讀者也能夠了解這方面的知識,經(jīng)
與胡洪濤老師商定,我決定另寫一本規(guī)模小一些、中學文化程度的讀者即可看懂
的書,名為《生命簡史:從塵埃到智人》。此書不僅包含了《生命通史》中原有的
內容,還新增了植物葉和花形成的機制、生物的壽命、人類演化等內容,所以這
本書并不完全是《生命通史》的簡化版。在此我對胡洪濤老師及其同仁長期以來
的支持和幫助表示衷心的感謝。
像以往一樣,在本書寫作的過程中,得到了郝杄林女士的大力協(xié)助,除了讓
我能夠集中精力寫作,她還仔細閱讀書稿,提出許多很好的建議。在本書面世時,
我也要向她表達感激之情。
朱欽士
2021年9月25日
引言 生物演化和基因 001
章 生命的前期準備 017
節(jié) 宇宙誕生和化學元素形成 017
第二節(jié) 組成物質的基本單位——分子的誕生 021
第三節(jié) 生命所需要的分子能夠在太空中自然形成 024
第四節(jié) 初的生命是核糖核酸(RNA)的世界 027
第五節(jié) 生命以細胞的形式出現(xiàn) 030
第二章 原核生物是地球上生命的開創(chuàng)者 034
節(jié) 原核生物可能在40億年前就在地球上出現(xiàn) 034
第二節(jié) 蛋白質變成生命活動的執(zhí)行者 036
第三節(jié) DNA取代RNA成為儲存信息的物質 042
第四節(jié) RNA分子改扮臨時信息分子的角色 045
第五節(jié) 基因和基因調控 046
第六節(jié) 完善的細胞膜形成 048
第七節(jié) 生物的能量供應——氧化還原反應 050
第八節(jié) 生物的能量供應——光合作用 059
第九節(jié) 原核細胞中做機械功的蛋白質 063
第十節(jié) 紛亂中的秩序 067
第十一節(jié) 為什么原核生物細胞的大小是微米級的 069
第十二節(jié) 細菌和古菌 070
第三章 真核生物把生命帶向更高階段 071
節(jié) 古菌和細菌的聯(lián)合造就了真核生物 071
第二節(jié) 細胞核的功能 073
第三節(jié) 染色體、端粒和基因調控 076
IV
生命簡史:從塵埃到智人
第四節(jié) 對細胞膜“動手術”的蛋白質 079
第五節(jié) 真核細胞的“骨架”和“軌道運輸系統(tǒng)” 081
第六節(jié) 真核細胞的分裂——有絲分裂 088
第七節(jié) 真核細胞消化食物的“胃”——溶酶體 090
第八節(jié) 蛋白質的“加工車間”和“路牌” 091
第九節(jié) 動物、植物、真菌的起源 099
第四章 動物、植物、真菌身體的演化 101
節(jié) 地衣是由不同種生物的細胞聚集成的多細胞生物 101
第二節(jié) 多細胞動物的祖先是領鞭毛蟲 103
第三節(jié) 簡單的多細胞動物——海綿和絲盤蟲 104
第四節(jié) 在體內消化食物的中心對稱動物——水螅、水母、海葵和珊瑚蟲 106
第五節(jié) 兩側對稱動物 107
第六節(jié) 動物身體中各個系統(tǒng)的演化 110
第七節(jié) 行光合作用的真核生物——藻類 125
第八節(jié) 植物的祖先是綠藻中的雙星藻 128
第九節(jié) 植物的演化 129
第十節(jié) 真菌的演化 133
第五章 多細胞生物身體形成的機制 136
節(jié) 選擇性的基因表達使同樣的DNA產(chǎn)生不同類型的細胞 137
第二節(jié) 干細胞在多細胞生物身體發(fā)育中的作用 138
第三節(jié) 細胞的極化導致不對稱分裂 142
第四節(jié) 細胞之間的相互作用影響細胞命運 143
第五節(jié) 動物身體形成過程中的指揮中心 145
第六節(jié) 鈣黏蛋白使動物細胞黏附在一起 150
第七節(jié) 片狀結構和管、腔的形成 151
第八節(jié) 細胞的程序性死亡“雕刻”出動物結構 154
第九節(jié) 重力對動物身體結構的影響 155
第十節(jié) 植物身體形成的原理 157
第十一節(jié) 葉和花的形成 160
第十二節(jié) 真菌身體結構的形成 164
目錄
V
第六章 生物的信息傳遞 166
節(jié) 蛋白質分子用“開”和“關”的方式來傳遞信息 166
第二節(jié) 原核生物的信息傳遞 169
第三節(jié) 動物細胞的信息傳遞 174
第四節(jié) 動物傳輸信息的高速公路——神經(jīng)細胞 180
第五節(jié) 植物的信息傳遞 186
第六節(jié) 真菌的信息傳遞 188
第七章 生物自帶的計時器——生物鐘 190
節(jié) 晝夜生物鐘的構成原理 190
第二節(jié) 藍細菌的晝夜生物鐘 191
第三節(jié) 動物的晝夜生物鐘 194
第四節(jié) 真菌的晝夜生物鐘 198
第五節(jié) 植物的晝夜生物鐘 199
第六節(jié) 真核生物的年度生理調節(jié) 200
第八章 生物的繁殖 204
節(jié) 生物的無性生殖 204
第二節(jié) 有性生殖和兩性的由來 205
第三節(jié) 減數(shù)分裂破解有性生殖難題 208
第四節(jié) 原核生物的性活動 211
第五節(jié) 動物決定性別的機制 212
第六節(jié) 動物對有性生殖的回報系統(tǒng) 216
第七節(jié) 植物的有性生殖 217
第八節(jié) 真菌的有性生殖 223
第九章 與生物如影隨形的病毒 225
節(jié) 病毒是沒有工廠的指揮部 226
第二節(jié) 病毒的種類和繁殖方式 227
第三節(jié) 病毒感染細胞的方式 229
第四節(jié) 類病毒——只由RNA組成的致病原 230
第五節(jié) 病毒的起源 231
生命簡史:從塵埃到智人
第十章 生物之間的協(xié)同、進攻和防御 235
節(jié) 地球上的生物都生活在生態(tài)系統(tǒng)中 235
第二節(jié) 生物之間的協(xié)作 236
第三節(jié) 越界生活的真核生物 238
第四節(jié) 細菌的防衛(wèi)系統(tǒng) 240
第五節(jié) 真菌的防衛(wèi)系統(tǒng) 241
第六節(jié) 植物的防衛(wèi)系統(tǒng) 242
第七節(jié) 動物的防衛(wèi)系統(tǒng) 245
第八節(jié) 動物的解毒系統(tǒng) 257
第九節(jié) 生物防衛(wèi)系統(tǒng)的適應性增強 261
第十一章 生物的壽命 263
節(jié) 生物衰老的過程 264
第二節(jié) 生物衰老的機制 266
第三節(jié) 生物對抗衰老的手段 269
第四節(jié) 生物對抗衰老的手段能夠使生殖細胞永生 275
第五節(jié) 衰老和死亡為生物物種的延續(xù)所必需 276
第六節(jié) 每種生物的壽命都是與環(huán)境相互作用下維持物種的值 278
第七節(jié) 生物控制壽命的機制 280
第八節(jié) 動物小幅調節(jié)壽命的信息通路 282
第十二章 動物的感覺 288
節(jié) 感受電磁波的視覺 288
第二節(jié) 從物質振動中獲得信息的聽覺 301
第三節(jié) 從直接接觸中獲得信息的觸覺 309
第四節(jié) 動物的自體感覺 313
第五節(jié) 感受分子性質的嗅覺和味覺 317
第六節(jié) 感受傷害的痛覺 324
第七節(jié) 感受潛在傷害的癢覺 330
第十三章 動物的意識和智力 334
節(jié) 感覺是初的意識 334
第二節(jié) 線蟲已經(jīng)有感覺和意識 335
第三節(jié) 有情緒有個性的昆蟲 337
第四節(jié) 昆蟲的智力 341
第五節(jié) 章魚的智力 343
第六節(jié) 鳥類的智力 345
第七節(jié) 哺乳動物的智力 351
第八節(jié) 意識產(chǎn)生于原始的神經(jīng)結構中 353
第九節(jié) 感覺和意識是特定神經(jīng)細胞群集體電活動的產(chǎn)物 355
第十節(jié) 感覺和意識的神秘性 357
第十四章 人類誕生 359
節(jié) 人是智力的動物 359
第二節(jié) 古代人類從非洲猿類演化而來 360
第三節(jié) 現(xiàn)代人類的誕生:走出非洲說和多地起源說 362
第四節(jié) 使猿變成人的DNA改變 365
第五節(jié) CMAH基因的失活增強人的奔跑能力 365
第六節(jié) 體毛消失和膚色變化 366
第七節(jié) 熟食使肌球蛋白16基因失活和唾液淀粉酶基因增加 368
第八節(jié) 對高海拔地區(qū)的適應 369
第九節(jié) 人類與語言文字有關的基因 370
第十節(jié) 人類與大腦發(fā)育有關的基因 372
第十一節(jié) 人類仍然在演化 376
第十二節(jié) 將來的人類是什么樣子的? 379
參考文獻 383