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地球生命起源与钠钾离子交互关系

 秋水共蓝天 2023-03-26 发布于广东

系统分类学是研究物种演化史,及演化史与其它物种间的关系的学科。现行学科分类会将系统分类学归类于理学或农学,但其本质上是哲学的一条分支,是指导我们完成认识自然、作用自然的指导型基础学科。现代智人和其他生物一样都是自然界中的一环,因此系统分类学理论不仅可以解释我们因何而来,也能解释因何而去,同样囊括了疾病特征和一切细胞生理的根本原因。这一章的内容晦涩难懂,因此我也会设法让读者更容易理解,欢迎各界英豪讨论、斧正。

无氧还原态大气是生命起源的基础

原初生物形成的时间点:早在地球形成之初10亿年(40亿年前)时,地球便出现了以简单脂肪酸为细胞膜主要成份的原初生物。

原始大气组成:地球地质尚处于早期阶段,大气中主要由氮气、水蒸气、氨气、甲烷、硫化氢、氢气和二氧化碳等中性及还原性气体构成。从大气的组成结构我们可以看出,当时的大气中没有氧气,且为的还原性大气组成。因此,地球原初生命形式是高度还原态的。

富钾贫钠的水环境是生命发生的离子环境

原始海洋中的钠钾来源:水会将岩石中的金属离子溶解,以溶剂的形式形成海洋。

海洋中钠钾自然调控

1、钠钾由于理化性质差异,使得钠比钾更容易从岩石和矿物中脱离并溶解于水;

2、在海洋和地壳活动作用下,钾比钠更容易被固定形成岩石或矿物并从脱离海洋;

3、在地球混沌初开的独特地质时期,其表面布满了大大小小的火山和温泉。在地热和太阳的双重作用下,使得原始海洋长期处于蒸发态。水分子的逃逸会携带无机盐离开海洋,从而减少海洋中的无机盐组成。由于钠的溶解度随温度升高而保守,钾溶解度随温度升高而明显升高,在海洋蒸发时,首先导致钠盐析出,从而导致了向大气逃逸的水会携带大量的钾和少量的钠。同时也会导致小型水域钠盐大量析出而出现富钾贫钠的情况。

正因为海洋对钠钾溶解和析出的难易程度不同,导致了原始海洋中富钠贫钾,以至于在40亿年后的今天,海洋仍然保持着这样的富钠贫钾的地质结构。

生命的起源:原初生物正是在上述第三条无氧高还原态大气条件下发生的富钾贫钠的冷凝水或富钾贫钠的小型原始汤中形成,而富钠贫钾的原始海洋对原初生物是有害的。无氧还原态大气保证了大气中的硫化氢组分不会被氧化成硫酸,为生命发生提供了安全保障;而富钾贫钠的水环境则为生命发生提供了离子基础,使原初生物能够以RNA为遗传基础的形式运行,并保证了核糖体合成原始蛋白质完成生命活动的构象,而这一切都与钠无关。

目前仅发现60余种原始蛋白,它们是原初生物活动的基础,也是地球生物圈现生物种完成共享代谢途径”底物水平的磷酸化“(糖酵解的一部分)的基础。

地球生命的底层代码:地球原初生物形式发生于富钾贫钠的环境,并在其后40亿年内保留胞内富钾贫钠的比例构成(与浓度无关)作为地球生物圈独立细胞运行的底层逻辑代码。无论原核生物、原生生物、真菌还是动植物,凡是地球上的生命形式,都是如此。因此,无氧大气、富钾贫钠的水域可以看作是自然作用下发生生命的唯一基础环境,缺一不可。这也可以解释,为什么现在的地热温泉无法再发生新的生命形式,那是因为当前大气中存在了大量的氧。此外,我们在考量某个类地行星是否能发生生命,不仅要考虑是否有水,也要考虑大气组成和水域中钠钾比例关系,这是绝大多数科学工作者所不了解的。

热力学第二定律是地球生命发生的根本原因:热力学第二定律是宇宙运行的底层逻辑代码,凌驾于宇宙空间内的任何事物之上。热力学第二定律指出熵增原理:不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零;在自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小。正如上文所说,原初生命和大气环境均处于高度还原态,地球环境与外部空间形成巨大差异,因此需要一种途径释放能量来以保证地球和外部空间的能量差异。在熵增驱动、无氧高还原态大气、富钾贫钠的水环境共同作用下,催生出地球的原初生命。地球和太阳的能量才可以以高还原态原初生命的特征引入负熵流,从而完成简单的氧化反应,并将环境中的高能物质转为惰性物质,并将产生的热量以热辐射的形式永久散失到宇宙中。因此,生命发生的根本意义在于加速宇宙微环境的熵增。

原始海洋压力是原始生命演化的重要契机

随着漫长的地质演化,原初生物脱离了富钾贫钠的水域融入富钠贫钾的原始海洋。在高钠渗透压的作用下,原初生物不得不承受强大的演化压力并接受自然选择从而衍生出对抗原始海洋极端环境的方法。

降低细胞膜离子通透性

1、高级脂肪酸:原初生物通过演化出以长链脂肪酸以减少内外环境的钠钾离子通透性,保证胞内富钾贫钠的离子构成。细胞膜上的脂肪酸链越短则离子通透性越强,这在富钾贫钠的冷凝水或原始汤中是无所谓的。但在富钠贫钾的原始海洋中,增强离子通透性就代表和环境同化,丧失了生命发生初期富钾贫钠的底层代码,失去了钾就失去了原始蛋白的生命活性。因此,原初生物的细胞膜演化出16C(棕榈酸、软脂酸等)及18C(油酸、亚油酸、亚麻酸、硬脂酸等)的长链脂肪酸代替短链脂肪酸发。而超过17C的脂肪酸在常规温度下一般以固态存在,因此上述长链不饱和脂肪酸的作用除了减少离子通透性外,还可以软化细胞膜并形成稳定规整的构象。

2、磷脂双分子层:原始生命即便有了上述高级脂肪酸构成的细胞膜还会因为分子斥力导致细胞膜通透性高,因此演化出使用甘油结合高级脂肪酸和磷脂的形式发生磷脂双分子层结构,不仅利用斥力构建了稳定结构,还通过双层细胞膜显著降低了离子通透性,保证胞内富钾贫钠的离子构成,用来对抗原始海洋富钠贫钾的不利环境。这个结构在其后动植物两分支演化中发生了分歧,动物的细胞膜演化出胆固醇用于增加细胞膜的流动,而植物细胞膜则没有演化出胆固醇,代之以多不饱和脂肪酸构建细胞膜。而原核生物中的古细菌因为在极端条件下生存,磷脂双分子层已经无法满足需要,因此演化出以特异性磷脂、脂肪醇链接甘油的形式构建细胞膜。

钠钾泵(离子泵):原始生命虽然有了磷脂双分子层作为屏障,细胞膜仍然有较低的通透性,如果没有一种主动出击的机制排出胞内高浓度的钠,则会导致细胞死亡,因此演化出一种可以消耗热量并主动调节内外钠钾离子浓度比的微观结构——钠钾泵。这样一来,原始生命可以通过消耗ATP泵出钠保持胞内富钾贫钠的生命环境,钠通过渗透压跨膜运输时则会产生ATP,相互抵消。

高级生命形式发生的能量基础是钠钾浓度梯度:正因为钠钾泵的发生,使得生命对能量供应有了更高的需求。原始生命的磷脂双分子层不仅可以有效隔离钠钾也可以对氢离子产生作用,于是原始生命用氧化反应泵出钠所产生的热量顺带把更多的氢离子泵到外环境,再借助氢离子的浓度梯度跨膜运输作用于细胞膜上的ATP合成酶产生更多的ATP,演化出了一个微观发动机系统。因此,钠钾浓度梯度虽然给原初生物带来负面影响,同时也给高级生命的出现创造了条件。

高级生命的发生:随着原始生命的不断演化,高级生命不再是以单细胞形式出现,而是以细胞分化为组织合并多器官协同运作的形式出现。这样一来,生物体就存在胞内环境和胞外环境(组织液和血液),并以角质层或几丁质等表外结构将生物体与自然环境隔离开来。通过上述的解释,我们知道了细胞底层代码是保证胞内环境为铁打不动的富钾贫钠,而外环境需要富钠贫钾。因此,再地球现生高级生命中表现为胞内富钾贫钠,而组织液和血液富钠贫钾。

钠——高级生命形式的基础

原始神经系统的发生:对于动物来说,神经系统的发生是一个重大事件,为我们现代智人要感谢原始生命形式和钠至少33亿年相爱相杀的演化史。神经细胞虽然和多种离子有关,但是主角却是钠。当神经细胞在贫钠环境中,无法形成神经脉冲,而加入了钠之后,神经脉冲则表现为正常水平可以带动肌肉运动。因此,钠是高等动物可以演化出自主行动的关键要素。

肠道的吸收功能:由于动物的饮食中含有钠,同时肠道细胞也会向肠道(体外)主动泵出更多的钠,这样的钠离子梯度相对于胞内形成离子势能,使得一个钠离子跨膜运输时可以携带葡萄糖或氨基酸进入生物体内。

调节血液体积:高等动物在海洋演化而来,因此胞外环境离子组成偏向海洋富钠贫钾的离子组成,并凭借血液内的钠离子浓度调节血液体积,影响血压,保持神经脉冲的持续。

动物的钠盐趋性:动物神经系统和钠在海洋中完成长达7亿年之久的适应演化过程,神经系统高度依赖钠盐。而地壳中钠钾总储量相近,这就发生了海洋内是富钠贫钾,而陆地则是富钾贫钠的情况。因此陆地动物普遍具有钠盐趋性和成瘾性。从简单的动物形式到复杂的现代智人,我们都共享了一套钠盐趋向性感受器,从而让我们在广阔的大陆上追逐着钠盐带来的满足感。

动物的高钠毒性:虽然动物依赖钠盐,但过高的钠盐不仅会导致血压升高也会导致细胞毒性,因此动物演化出通过排尿的和出汗等方式排出多余钠盐的能力以保证内环境的健康。在现代智人因高碳水饮食发生脑梗时,神经细胞由于缺氧导致大量胞外钠盐进入是脑梗导致死亡的主要原因。

海洋生物登陆后钠钾需求关系

动植物登陆顺序:很多读者认为动物和植物是同一时间登陆陆地的,或动物先于植物登陆,这都是错误的观念。如果动物早于植物登陆或同时登陆,则会因缺乏食物而灭绝。因此植物登陆的历史要比动物早1亿年,只有植物在陆地站稳脚跟,动物才能在陆地生存繁衍,进而完成复杂的演化。

植物与钠钾关系

1、植物地钾盐依赖:植物和动物一样保留了胞内富钾贫钠而胞外富钠贫钾的特征,但植物可以自己合成生命所需的营养物质而不需要像动物一样依赖钠而摄取营养,并且植物也不具神经系统对钠盐没有依赖性,而植物的各种生命活动和原初动物相近,极度依赖钾盐,因此植物具有普遍的钾盐依赖性。钠对于植物是致命的,因此盐碱地少有植物的身影,而贫钾的土地也不适合绝大多数植物的生存。

2、植物中钠的排出:植物的生长会导致钠盐积累,这对植物生长极为不利,因此植物和动物一样需要定期排出钠盐以保证健康生长,于是演化出几种排钠的方式。植物可以通过根系限制钠盐的吸及主动从根系排出钠盐,同时将富集的钠盐囚禁在植物叶片的液泡内,也可随季节落叶(常青植物以老叶代替新叶)释放大量的钠盐。

3、农业化肥的应用:现代智人广泛种植农作物并割除秸秆的行为导致土壤中钾盐缺乏,因此要不断施肥保证土壤中钾的含量才能保证收成,就是这个道理。而自然条件下的植物不需要施肥是因为没有认为的干预,动植物死后被环境分解重新变成钾盐回到了土壤内,完成了无机盐循环。

动物食性与钠钾的关系

1、植食性:如上文所说,植物高度依赖钾盐而无法耐受钠盐,因此植物体中含有大量的钾极少的钠。所以,以植物为食的植食性动物要在自然中额外获取钠盐来保证内环境的钠钾比例关系(同上文所述动物的钠盐趋性),因此我们可以看到野生素食动物会舔舐矿物。而这一动物本能也被应用在当今的畜牧业,现代智人制作含有钠的”舔砖“供植食性圈养动物舔舐。

2、肉食性:肉食动物以其他动物为食,而动物的组织液和血液都是富钠贫钾的,因此自然界中的肉食动物无需补充钠钾,从捕食行为中即可获取充足的钠钾。肉食性现代智人在5000年前尚未进入农业社会之时正是如此。当肉食性现代智人进入农业社会后,通过异食行为大量摄入植食性食物(谷食性),从而造成饮食中富钾贫钠的情况,而动物神经系统是高度依赖钠盐的。因此,食盐成为了农业社会早期的硬通货。随着社会生产力的发展食盐量产,食谷性现代智人将对钠盐的自然趋性转便为成瘾性,并合并高碳水饮食成瘾性极大地导致了慢性病发生的风险。

现代肉食性智人钠钾补充建议

现代科学证明,钠钾在智人肾脏的排出模式不同:钠盐为多吃多排,少吃少排,不吃不排;钾盐为多吃多排,少吃少排,不吃也排。同时,智人会在炎热和运动时通过出汗的形式排出钠盐而保留钾盐。再加上现代智人在模拟祖先饮食模式时虽然能获取大量的肉及内脏,但难以获取动物的血液。动物血液是富钠贫钾的动物性食物,因此具有咸味,是史前智人最佳的钠盐来源。

所以,模拟祖先饮食的现代智人应在饮食中补充适当钠盐以弥补因缺失动物血液这种食物来源以及排汗中丧失的钠盐。

动物细胞中是富钾贫钠的,因此模拟祖先饮食的现代智人本身可以摄入大量富含钾的肉食和内脏,无需额外补充钾盐。但细胞底层逻辑代码和钠钾绝对浓度无关而与钠钾浓度比值有关,因此如果摄入了大量钠盐则需要补充钾盐以保证体液平衡,减少细胞因钠钾失衡而引起的损伤。

剩下的,就交给身体这台精密的人型机器就好了。

小结

热力学第二定律(熵增原理)是宇宙运行的底层逻辑代码,是地球生命发生的根本原因。

地球生命发生的根本意义在于加速宇宙微环境的熵增。

地球生命起源于无氧高还原态大气合并富钾贫钠的水环境。

地球原初生命形式是高度还原态的。

地球生命形式是以胞内富钾贫钠、胞外富钠贫钾的特征作为底层逻辑代码。

地球生命形式的底层逻辑代码与钠钾浓度无关,仅与钠钾浓度比有关。

地球生命的细胞,其胞内模拟了原始汤的离子构成,胞外模拟了原始海洋的离子构成。

地球生命蛋白质合成是以钾为基础的、与钠无关。

地球植物先于动物登陆1亿年。

地球植物极大继承了原初生物的生命特征,具极强的钾盐依赖性。

地球动物神经系统依赖钠盐,具钠盐趋性。

地球上的动植物都会通过多种方式排出钠盐以降低钠盐毒性。

胆固醇是动物细胞膜保持活性的重要组成成分。

野生植食性动物因植物富钾贫钠而普遍缺乏钠盐,需从矿物、动物尸体和水源等获取钠盐。

圈养植食性动物因无法从自然矿物获取钠盐,需人为添加。

野生肉食性动物(包括史前现代智人)通过肉食可充分摄取钠钾而无需额外补充。

史前肉食性现代智人进入农业文明后,因异食行为大量摄入谷物和植物而普遍缺乏钠盐,并在生产力发展后将钠盐趋性发展为钠盐成瘾性。

谷食性现代智人的高碳水饮食合并高钠饮食可增加慢性疾病风险。

动物血液是现代智人最佳的钠盐来源。

模拟史前智人饮食模式的现代智人因食物中缺乏动物血液,应适当补充钠盐,如果摄入大量钠盐则需要额外补充钾盐。

食谷性现代智人应比肉食性者补充稍多的钠盐。

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