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探索生命的奥秘濒临山穷水尽之地?

时间:2005-08-05 09:21来源:金桥信息 作者:bioguider 阅读:

  研究细胞及生命的起源,也许是最令人神往的科学探索之一。然而,甚至不久以前人们还认为,进行这项研究的各门科学已经濒临山穷水尽之地,医学、生物化学、生物学等原地踏步,难以进展。为了推动这项重要研究取得进展,各学科的研究人员必须通力合作。柏林自由大学的埃德曼教授发起并领导了这项多学科合作的研究项目。

  在埃德曼教授的示意图表中,有一个组合名字频频出现,这就是核糖分子式5SrRNA。这个分子式的图解,样子好象一只正在滴水的水龙头。这就是忧核、优裂殖菌和原生菌核糖5SrRNA的二次结构模型。而埃德曼教授的科研小组主要课题正是5SrRNA,它究竟是怎么-回事?

  生物细胞的结构与功能。

  在人体血液循环过程中,细胞获得某种物质,而核糖则从这些物质中制造出身体所需的蛋白质。细胞的构成与实施功能主要靠蛋白质,而蛋白质分子的构造形态则是储存在细胞中的脱氧核糖枝酸里的。这一基因信息首先被看成信使核糖核酸,然后又游移向核糖,它们先向蛋白质工厂提供细胞。蛋白质细胞的基本结构是氨基酸,其中有20多种不同的氨基酸结构已为人们所知。与此相反,脱氧核糖核酸的分子和信使核糖核酸的分子却仅有4种不同的基本结构。这些基本的结构作为典型的三位组合(密码子),含有某些氨基酸的密码,即有-种密码代表一种氨基酸的密码信息。核糖的任务就是首先将这些基本结构用化学方法联结起来,而组成蛋白质分子。在所有生物的细胞中,这些反应步骤都会多少出现,只是方式有所不同而已。

  由于上述蛋白质的组合要求以极高的准确程度进行,因此,核糖的结构上也是极为复杂的。即使是简单的菌类,其核糖也由大约55个不同的蛋白质分子和3种不同的核糖核酸组成。所有生物的核糖中,普遍存在有一种核糖酸,即核糖5Sr一RNA,它“仅仅”含有120个基本结构。每个基本结构的排列顺序中的微小差异都表明每4个基本结构的排列顺序中的微小差异,也表明每个细胞处于何种发展阶段,并说明它与其它生物的某一个细胞有着血缘关系。

  细胞本身是如何形成的

  埃德曼教授和他的助手们运用先进的计算机系统来分析核糖核酸基本结构的排列顺序,并且将储存在脱氧核糖核酸中的部分人工合成在一起。专家甚至与欧洲其它国家和美国的大型计算机联网,以便取得更加精确的数据。关键问题在于,如果说一切生物最终是由细胞组成的,细胞是生命的基础,那么,细胞本身又是如何形成的呢?关于这个问题,科学家们持有两种截然不同的理论,其一便是细胞形成假说。直到几年前,这种理论仍被认为是基本正确的。这种理论认为,在长达数亿年的时间里,比较高级的细胞正是从细菌细胞演变而来,由于细胞内部的区别而变得日益复杂起来。

  第二种观点被多数专家否认,而坚持孩理论的人近百年来甚至被讥讽为幻想家。这种观点认为,在生物进化过程中,若干个细胞组合为比较高级的细胞,即形成所谓细胞内部的生命规律。比较高级的细胞乃是互相依存的生命群体。
科学家们通过研究,戏剧性地澄清了这一难题。起初,人们还对细胞内部生命规律学的细胞假说提出过许多反面论证,当时以为细胞的这种形成假说似乎是不可能的。然而,后来却发生了一次具有重要意义的试验性突破,即人们可以对氨基酸的排列顺序进行分析。在试验过程中,首先确定了细胞的原始结构,即个可能的基本结构(核昔酸)的组合。科学家们发现,是否符合这种基本结构排列顺序,可以作为衡量有机物质之间是否存在血缘关系的标准。此外,人们还发现,优核细胞中所出现的细胞器(线粒体和叶绿体)竟然与某些菌类有着血缘关系,即它们皆起源于菌类。因此可以说,核糖核酸的排列顺序的分析,显然对举世公认的细胞内部生命规律学关于细胞的假说作出了贡献。

  按照这一理论,一个较高级的细胞至少由2个或者4个裂殖菌所组成。也就是说,-个可以发酵的寄主细菌能够吸收将运动机制带入细胞的鞭毛裂殖菌。然后,再增加具有呼吸功能的裂殖菌,由此便产生了今天细胞中的线粒体。植物细胞则还要吸收具有光合作用的裂殖菌,从而形成细胞中的叶绿体。

  一细胞内部生物学”的建立与发展在数百万年的进化过程中,细胞里以前独立的裂殖菌转变为小器官,这些小器官又将其大部分遗传特性转移给细胞核,进而使细胞核成为细胞中重要的协调者,即比较高级的细胞并不是作为整体而形成的新的统一体。这一认识的重大意义在于,它证实了所有生物,最终是由裂殖菌及其前身组合形成的。这种组合显然是在地球上还未存在多细胞生物时发生的。

  与菌类细胞相比,这种新的统一体具有决定性的优点,即一个细胞内部的各种新陈代谢形式由细胞膜相互隔离,因此发酵、呼吸、光合作用等过程可以同时进行。而在普通茵类中,某个时间往往能进行一种新陈代谢过程。

  生物学家施维姆勒教授为”细胞内部生物学”的建立和发展奠定了基础,并且为“细胞内部生命规律学”的细胞理论的突破性进展作出了重大贡献。施维姆勒教授指出:“这样生物学可以解释其最小的结构成分了。我们试图在此基础上建立其一个至今未有的生物序列体系。人们可以在核糖核酸与脱核糖核酸基本结构排列顺序的基础上,将各种各样的细胞类型排列成一个合理的体系。每个被吸收入细胞的裂殖菌都带有其自身的蛋白质组合机制。我们认为,这一共生过程仍在继续,今天的细胞还在吸收着裂殖菌,并组成着小器官。

  科学家们关注着细胞学研究的进展,而施维姆勒教授正在从完全不同的角度进行着研究。他发现过一种昆虫---小禅,它由一个寄主细胞组成,而它所吸收的裂殖菌则作为共生生物。在长期发展过程中,两个单一细胞的物质竟然如此相互适应,以至到了一个个体在失去另一个个体的情况下无法存活的程度。

  施维姆勒教授指出,“以小蝉为例,我们可以从活生生的物体上观察到这种共生现象是如何进行的。生活在小蝉系统的裂殖菌估计已有2亿多年了,它逐渐失去了脱氧核糖核酸。目前我们尚不清楚裂殖菌的脱氧核糖核酸是简单丧失了呢,还是已经进入了小禅的细胞核中去了。在没有共生现象的蛋卵中,只能形成头—脑胚胎,但却缺少尾部。这表明,寄主细胞如果与裂殖菌的遗传信息共生的话,它就可变成一个小器官。”在谈到每个研究领域的相互渗透时,埃德曼教授说:我们希望建立一种模型体系,从而在分析核酸德基础上,对细胞内部生命规律德基础上,对细胞内部生命规律德起源加以排列划分利用这个可能性,能够将整个世界划分为个“王国”:其一为细胞核体系,其二为不包括细胞核德其他体系。然而,通过对核酸德进一步研究,我们发现对不包括细胞核德其他体系,还可划分成原本裂殖菌和优裂殖菌,后者则是正常的。目前尚存的裂殖菌、原本裂殖菌往往生存在极端条件之下,例如PH值很高或很低的情况下,含盐浓度或者含酸浓度很高的状况下。也许人们以为,科学家的认识固然十分有趣,可它对人类又有什么实际意义呢?然而,正如施维姆勒教授的试验所证实的那样,表面现象往往是极不可靠的。他说:“这一基础研究将对应用科学产生非同寻常的影响。甚至可以用来对付恶魔般的癌症。因为我们认为只有对细胞中的分子过程进行全面研究,才能理解癌症的形成机理。而首要的问题是应该弄清基本的过程与联系。”

(责任编辑:泉水)
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