双螺旋结构让DNA通过半保留复制的方式,实现自我复制。DNA分子在化学性质上是一个很稳定,很有惰性的分子,不容易和其它的物质发生反应。作为生物遗传信息的记录载体,DNA越稳定,记录的信息也就越精确,越持久。它要是总能随便和环境中的物质发生反应,这样的东西是没法作为遗传信息的稳定载体。
生命体想要利用DNA作为遗传信息的载体,光有DNA是远远不够的,它还需要同时准备大量的蛋白质分子来完成DNA复制,两者都非常重要,而且需要相互配合。同时出现DNA和蛋白质,还需要两者之间存在非常精细的巧合——也就是DNA分子的碱基序列,需要和蛋白质分子的氨基酸序列存在三对一的精确对应。只有这样,DNA分子才能完整记录蛋白质的信息,帮助蛋白质自我复制,这样的巧合实在难以想象。
DNA上存储了指导蛋白质生产的信息。但是在指导蛋白质生产的时候,DNA密码本的信息会先抄写到RNA分子上,然后RNA分子再去直接指导蛋白质的装配。所以对于每一个被生产出来的蛋白质,都会存在一个独特的RNA中介。每个人体内都会产生成千上万种RNA分子,它们主要的角色,就是DNA和蛋白质之间的桥梁。
核酶既是核糖核酸RNA,能记录遗传信息,同时又很像一个蛋白质酶,能切割和拼接自己。当RNA分子被生产出来之后,RNA需要把自己链条上多余的部分剪掉,才能去指导生产蛋白质。RNA分子能同时做DNA和蛋白质两份工作。它一方面,能像DNA一样存储遗传信息,另一方面,能像蛋白质一样催化生物化学反应。
RNA这种生物大分子,既能够存储遗传信息,又可以实现蛋白质的功能。因此,可能是它推动了最早出现的生命活动。后来呢,在漫长的演化之后,RNA分子的这两个功能分别被DNA和蛋白质取代了。一方面呢,作为信息载体,RNA没有DNA优越。因为DNA化学上更稳定,复制的时候出差错的可能性也更小。而另一方面呢,作为生物化学反应的推动者,RNA又没有蛋白质优越。后者结构上的多样性更多,能够催化的生物化学反应显然也更多样、更精细。
所以慢慢的,曾经站在生命舞台中心的RNA分子就退居二线了,仅仅成了DNA和蛋白质之间,一个看起来可有可无的中间环节。
病毒除了是一种介于生命和非生命之间的东西之外,还有第二个特点。那就是它的遗传物质是RNA,而不是DNA。RNA的天生缺陷,让绝大多数地球生命放弃了使用RNA作为遗传物质,转而使用更加稳定,更加精确的DNA。但反过来呢,也正是因为这些缺陷,让一小部分非常特别的地球生命,也就是RNA病毒,可以继续生机勃勃地生存在今天的地球上。而且基于它们非常活跃的变异能力,它们很有可能长久地,甚至永恒地和其他地球生命共同生存下去,继续玩儿猫捉老鼠的游戏。
比较一下DNA和RNA复制的错误率:
在人体细胞中,DNA复制的错误率是极低的。每复制10亿个DNA碱基,才会出1个错误。而人体基因组一共才30亿个碱基对,所以说人体细胞每复制和分裂1次,只会出个位数的错误。
在绝大多数时候,这些错误对人体细胞功能的影响是非常有限的。我们说过,这一点对于遗传信息的稳定遗传,对于生命活动的稳定进行,是非常关键的。
那么RNA病毒呢?复制的错误率是每1万到100万个碱基就会出一个错误,错误率一下子上升了4、5个数量级。
如果人体这样的复杂生命有如此高的错误率,早就活不下去了,因为这就意味着,人体的每个细胞都必然携带着一大堆错误,会被搞得千疮百孔。
但是对于RNA病毒这样的简单生命来说,极高的错误率反而是巨大的生存优势。
因为这样的突变率,就意味着这些病毒产生的所有后代,没有哪两个是完全一样的,随便找两个都有很大的区别。
这些错误只需要积累短短几代的时间,病毒就可以演化出完全不同的遗传信息。这样一来,病毒生命就可以以极高的速度适应环境,获得生存机会。
我们用一个例子来说明病毒的这种独特优势。
因为极高的错误率,流感病毒表面的特征信号总是在变化当中,这样一来,人体的免疫细胞想要发现病毒,并且把它们清理掉,就会变成一件非常困难的任务,病毒就可以继续在人体当中生存并且繁衍后代。
这也就是为什么那几种有代表性的病毒,如RNA病毒、流感病毒、普通感冒病毒、丙肝病毒和SARS病毒,会经常性地在人群中流行,而且人们又难以开发出有效的疫苗和药物的原因。
生命体想要利用DNA作为遗传信息的载体,光有DNA是远远不够的,它还需要同时准备大量的蛋白质分子来完成DNA复制,两者都非常重要,而且需要相互配合。同时出现DNA和蛋白质,还需要两者之间存在非常精细的巧合——也就是DNA分子的碱基序列,需要和蛋白质分子的氨基酸序列存在三对一的精确对应。只有这样,DNA分子才能完整记录蛋白质的信息,帮助蛋白质自我复制,这样的巧合实在难以想象。
DNA上存储了指导蛋白质生产的信息。但是在指导蛋白质生产的时候,DNA密码本的信息会先抄写到RNA分子上,然后RNA分子再去直接指导蛋白质的装配。所以对于每一个被生产出来的蛋白质,都会存在一个独特的RNA中介。每个人体内都会产生成千上万种RNA分子,它们主要的角色,就是DNA和蛋白质之间的桥梁。
核酶既是核糖核酸RNA,能记录遗传信息,同时又很像一个蛋白质酶,能切割和拼接自己。当RNA分子被生产出来之后,RNA需要把自己链条上多余的部分剪掉,才能去指导生产蛋白质。RNA分子能同时做DNA和蛋白质两份工作。它一方面,能像DNA一样存储遗传信息,另一方面,能像蛋白质一样催化生物化学反应。
RNA这种生物大分子,既能够存储遗传信息,又可以实现蛋白质的功能。因此,可能是它推动了最早出现的生命活动。后来呢,在漫长的演化之后,RNA分子的这两个功能分别被DNA和蛋白质取代了。一方面呢,作为信息载体,RNA没有DNA优越。因为DNA化学上更稳定,复制的时候出差错的可能性也更小。而另一方面呢,作为生物化学反应的推动者,RNA又没有蛋白质优越。后者结构上的多样性更多,能够催化的生物化学反应显然也更多样、更精细。
所以慢慢的,曾经站在生命舞台中心的RNA分子就退居二线了,仅仅成了DNA和蛋白质之间,一个看起来可有可无的中间环节。
病毒除了是一种介于生命和非生命之间的东西之外,还有第二个特点。那就是它的遗传物质是RNA,而不是DNA。RNA的天生缺陷,让绝大多数地球生命放弃了使用RNA作为遗传物质,转而使用更加稳定,更加精确的DNA。但反过来呢,也正是因为这些缺陷,让一小部分非常特别的地球生命,也就是RNA病毒,可以继续生机勃勃地生存在今天的地球上。而且基于它们非常活跃的变异能力,它们很有可能长久地,甚至永恒地和其他地球生命共同生存下去,继续玩儿猫捉老鼠的游戏。
比较一下DNA和RNA复制的错误率:
在人体细胞中,DNA复制的错误率是极低的。每复制10亿个DNA碱基,才会出1个错误。而人体基因组一共才30亿个碱基对,所以说人体细胞每复制和分裂1次,只会出个位数的错误。
在绝大多数时候,这些错误对人体细胞功能的影响是非常有限的。我们说过,这一点对于遗传信息的稳定遗传,对于生命活动的稳定进行,是非常关键的。
那么RNA病毒呢?复制的错误率是每1万到100万个碱基就会出一个错误,错误率一下子上升了4、5个数量级。
如果人体这样的复杂生命有如此高的错误率,早就活不下去了,因为这就意味着,人体的每个细胞都必然携带着一大堆错误,会被搞得千疮百孔。
但是对于RNA病毒这样的简单生命来说,极高的错误率反而是巨大的生存优势。
因为这样的突变率,就意味着这些病毒产生的所有后代,没有哪两个是完全一样的,随便找两个都有很大的区别。
这些错误只需要积累短短几代的时间,病毒就可以演化出完全不同的遗传信息。这样一来,病毒生命就可以以极高的速度适应环境,获得生存机会。
我们用一个例子来说明病毒的这种独特优势。
因为极高的错误率,流感病毒表面的特征信号总是在变化当中,这样一来,人体的免疫细胞想要发现病毒,并且把它们清理掉,就会变成一件非常困难的任务,病毒就可以继续在人体当中生存并且繁衍后代。
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#蜗牛书单#
《#生命是什么#》
知道薛定谔的猫,也来看看薛定谔是怎么理解生命的吧!《生命是什么》是二十世纪最有影响的科学经典著作之一,作为概率波动力学的创始人、量子力学的奠基人之一,薛定谔以纯物理的观念对生物体遗传现象的本质进行了简要探讨并提出了一些深刻观点,这些思想对DNA的双螺旋结构的发现者沃森和克里克等后来的研究者产生了很大影响。从现在的观念来看,书中有些观点并非完全正确和完善,但考虑到生命现象的极端复杂性,如果从还原论的角度来研究生命现象,那么本书的思维模式(尤其是提问的方式)无疑是这方面的典范。
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