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舌尖上的进化史:21亿年前的吃货细菌,最终演化成人类

 好了明理 2019-10-18

一、21亿年前的地球

24-21亿年前,地球经历了地球历史上第一次大冰期:“休伦冰期”。这是一次由生命活动造成的大型降温事件,在最冷的时候,地球表面温度可能低于-50℃,整个地球上的生命都面临着灭绝的危险,但是最终火山爆发拯救了地球上的生命。(冷!24亿年前,地表温度常年-10℃,生命如何存活?)

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被封冻的地球想象图

火山爆发带来的大量二氧化碳使得地球重新变暖,大面积的海洋又重现了,生物们在海洋中重新开始繁盛起来。

二、细胞核的诞生

在21亿年前的地球上,只有海洋中存在着生命,这些生命是一些非常古老的生命形态,在科学上把它们统一叫做原核生物。

什么是原核生物呢?

我们人类是一种真核生物,特点是细胞中有一个由核膜包裹出来的细胞核,DNA就“居住”在这个核中;除此之外,我们真核生物们的细胞中还拥有各种各样复杂的细胞器,其中最重要的是线粒体和叶绿体(叶绿体只有植物中有)。

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真核细胞结构示意图

而原核生物则不具备以上的这些细胞结构,它们没有细胞核,DNA就直接“居住”在细胞中,也没有各种复杂的细胞器,只有简单的核糖体。

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原核细胞结构示意图

可能是由于持续3亿年的降温,各种原核生物们在海洋中挣扎求存,在这种生存压力下产生了演化的动力,很可能因为其他的原因,最终这些原核生物发生了一些小变化:

(1)细胞膜向内褶皱,核糖体附着在上面,因为核糖体的功能是制造蛋白质,因此在细胞内褶之后能够扩大细胞内的面积,从而增加核糖体的数量,这是有利于生存的一点。

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细胞膜开始折叠

(2)向内褶皱的细胞膜最终形成细胞的内质网系统,内质网系统不仅能够让核糖体附着,同时还能够起到传输细胞质的作用,就好像一个流水线一样,把细胞质中的有用物质传递给核糖体进行蛋白质的合成;

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细胞膜主动运输营养物质

(3)由于DNA在合成上也需要各种蛋白质和糖类物质等,因此内质网向DNA区域靠拢,并最终包裹住DNA,从而成为核膜,而此时细胞核也就此成形[1-3]。

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与核膜贴在一起的内质网

至此,细胞核诞生了。

三、21亿年前的吃货

在21亿年前的海洋中,原核生物种类多样,有些原核生物有些能够自力更生,靠自己进行光合作用就活得很好,这些生物我们称之为自养生物;但是有一些却不行,它们必须要吃其他的有机物才能生活,这些是21亿年前的“吃货”,这些生物我们称之为异养生物

这时候的生物都是单个的细胞形态,它们没有嘴,怎么吃呢?它们靠自己的细胞膜变形,把其他细胞包裹进自己的身体内。

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阿米巴虫进食过程1—细胞变形

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阿米巴虫进食过程2—围绕住食物

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阿米巴虫进食过程3—包裹住食物

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阿米巴虫进食过程4—完全吃下食物

有些生物已经形成的原始的细胞核,这些形成了原始细胞核的生物们在“吃”的过程中,吃下了一些紫色硫细菌,这些硫细菌能够利用氧气(O2)氧化硫化氢(H2S),从而获得能量[4]。

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紫色硫细菌

在吃下这些硫细菌之后,具备原始细胞核的生物们因为某种原因并没有能够消化硫细菌,而是和它一起生活了起来:

吃下硫细菌的生物为硫细菌提供保护和氧气(或者是其他物质);

硫细菌为这些生物提供能量。

这是一种对双方都有好处的事情,在生物学上,两种生物生活在一起互相为对方提供好处,被称为互利共生;而这种行为发生在细胞内部,被科学家们称为内共生

以上是线粒体的来源。


有一些已经具备线粒体的“吃货”生物们,继续开启了它们的吃货之旅,它们又发现了新的美食:整个海洋表面到处存在的蓝藻!

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蓝藻结构图 图/DaveCarlson 有修改

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显微镜下的蓝藻

正是这些无私的小东西,数亿年持续不断进行光合作用,释放氧气,改变了整个地球大气成分,才使得后续的生命演化得以继续,是的,这一次它们又要贡献出自己了:被“吃下肚“的蓝藻也机缘巧合躲过被消化的命运,它们与吃货生物们共生在了一起,蓝藻利用光合作用制造养料,供养吃货生物们生活;吃货生物们则给予蓝藻保护。

以上是植物中叶绿体的来源。


如果模仿一下舌尖上的中国的话,我想应该这么说才能表示对蓝藻的敬意

“一片大海,见证了地球的成长,在这片海洋中猎人与猎物伴生,自养与异样共游,包容开放的地球历史中,有一种生物,出身低微,却贡献巨大,在演变中不因灾难而灭绝,也不因被吃而消亡,这就是蓝藻,它奠定了所有生物的进化之基。”

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蓝藻对生物进化贡献真的非常巨大

四、真核生物的出现的意义

细胞中出现了细胞核,“吃进去”了线粒体和叶绿体,自此,真核细胞出现了。

真核细胞的出现到底有什么意义呢?现代生物学中把世界上的生物分为三域六界。基本上,我们现在身边的所有的动物、植物,都属于真核生物域,也就是说,我们最初的祖先一路往前追寻的话,可能是海洋中傲游的某一只真核生物细胞。

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参考文献:

​[1]李靖炎.双滴虫与细胞核起源问题的探索──庆祝潘清华老师八十寿辰[J].动物学研究,1996(03):275-286.

[2]刘百里.细胞的起源和进化(二)[J].生物学通报,1998(07):18-19.

[3]刘百里.细胞的起源和进化(一)[J].生物学通报,1998(06):15-17.

[4]李峰,管敏鑫.线粒体起源和蛋白含量进化[J].科技通报,2015,31(01):61-66.

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