本篇要說(shuō)的，是一個(gè)二十億年前，真核細(xì)胞的祖先如何依靠“圍墻”打贏“第一次喪尸危機(jī)”的故事。
真核細(xì)胞的象征
初中生物就學(xué)過(guò)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，動(dòng)物細(xì)胞結(jié)構(gòu)主要有細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器、細(xì)胞膜。由這些結(jié)構(gòu)組成的細(xì)胞是真核細(xì)胞，之所以叫這個(gè)名字正如字面上的意思——這些細(xì)胞都有細(xì)胞核。
真核細(xì)胞的出現(xiàn)于大約15~20億年之前，它們是進(jìn)化史中最重要的一步，因?yàn)橥黄屏思?xì)菌的體積限制，它們可以長(zhǎng)得非常大，平均來(lái)說(shuō)是細(xì)菌的1萬(wàn)~10萬(wàn)倍，擁有了充裕的空間之后，細(xì)胞才得以大展身手，進(jìn)化出復(fù)雜的細(xì)胞器和功能，而高度復(fù)雜的功能使協(xié)作成為可能，多細(xì)胞生物的出現(xiàn)也依賴于此；世界上所有的復(fù)雜生命都是由真核細(xì)胞組成的，人類當(dāng)然也不例外，這是生命第一次躍升的基礎(chǔ)。
當(dāng)我第一次知道真核細(xì)胞的出現(xiàn)源于一次偶然——一枚古菌吞下了一枚細(xì)菌之時(shí)，我想當(dāng)然地認(rèn)為那枚細(xì)菌是細(xì)胞核。但是隨后我就了解到，其實(shí)被吞的可憐細(xì)菌是線粒體，當(dāng)然后來(lái)還吞下了一些可以光合作用的藍(lán)細(xì)菌，也就是葉綠體的原型。
不過(guò)這與細(xì)胞核都沒(méi)有關(guān)系，細(xì)胞核是一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)，它既非繼承自古菌也非繼承自細(xì)菌，完全是真核細(xì)胞出現(xiàn)后才進(jìn)化出的，也就是說(shuō)它有必須存在的意義，那么這個(gè)意義到底是什么呢？
細(xì)胞核之迷
這個(gè)難題目前還有一定的爭(zhēng)議性，但是有一種猜想的可能性較高，我們似乎可以從其中窺探到可怕的、真核生命最初的“喪尸危機(jī)”。
首先讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下細(xì)胞核——我們都知道這是一個(gè)包裹著DNA的球形結(jié)構(gòu)。細(xì)胞核的外層并不是一個(gè)完全獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)它是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一部分，多數(shù)細(xì)胞核還保持著與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的連接。也就是說(shuō)細(xì)胞核在進(jìn)化上是來(lái)源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變形，它的表面存在著數(shù)量很多的核孔方便與細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)交換，也就是將信使RNA釋放到細(xì)胞質(zhì)中合成蛋白質(zhì)。
細(xì)菌不僅沒(méi)有細(xì)胞核，就連DNA也與真核生物的不同，細(xì)菌的DNA通常是環(huán)狀的。但是真核生物則不同，正如我們所知人類有23對(duì)染色體，DNA都是斷成一節(jié)一節(jié)的。
更有意思的是我們自認(rèn)為理應(yīng)更高級(jí)的真核細(xì)胞DNA其實(shí)利用率非常低，細(xì)菌的DNA非常精煉，沒(méi)有多余無(wú)用的信息，幾乎每個(gè)基因都有實(shí)際用處；但真核細(xì)胞則顯得非常怪異，絕大多數(shù)都是從來(lái)不會(huì)表達(dá)的DNA，這在初中生物中也有學(xué)過(guò)，叫“內(nèi)含子”，人類的DNA長(zhǎng)鏈中高達(dá)98.5%都是“內(nèi)含子”！
人類常常驚嘆于生命的精致與優(yōu)雅，自然總是會(huì)在一些精妙的地方表現(xiàn)出實(shí)用與美感的完美結(jié)合，所以早期生物學(xué)家雖然不知道內(nèi)含子是干什么用的，但是他們相信這一定有不為我們所知的特別用處，可能其中就藏著我們勝過(guò)細(xì)菌的關(guān)鍵。當(dāng)年我們的生物老師是這樣說(shuō)的——這些多余的DNA是用來(lái)緩沖突變的，因?yàn)槎鄶?shù)突變是有害的，如果發(fā)生在外顯子中對(duì)生物生存就會(huì)很不利，所以需要大量的內(nèi)含子來(lái)緩沖。
當(dāng)年的我雖然小，但是卻對(duì)這種說(shuō)法感到奇怪——突變是概率事件，無(wú)論塞多少無(wú)用的基因進(jìn)去也不可能減少有用基因的突變，每?jī)蓚€(gè)堿基之間的突變是不會(huì)相互影響的。
事實(shí)證明，當(dāng)年的我雖然沒(méi)有站起來(lái)大聲質(zhì)疑老師，但確實(shí)猜對(duì)了，內(nèi)含子并不是用來(lái)應(yīng)對(duì)突變的，事實(shí)上它們一開(kāi)始的出現(xiàn)根本不是進(jìn)化所需（但現(xiàn)在確實(shí)有用），而是一次可怕的“喪尸圍城”，肆虐在我們基因組中的“喪尸基因”瘋狂地復(fù)制著自己，而它們就是內(nèi)含子的來(lái)源了。
瘋狂復(fù)制
生命史上的第一次喪尸危機(jī)
這里所說(shuō)的“喪尸基因”倒不是說(shuō)它會(huì)讓生物體變?cè)趩适?，而是說(shuō)它們有一種非常糟糕的、類似喪尸的特征——無(wú)限增殖。
這個(gè)基因的出現(xiàn)很可能是一個(gè)偶然，而且它也沒(méi)有什么如你們想象中的特別能耐，說(shuō)起來(lái)甚至有一點(diǎn)好笑，只是因?yàn)樗梢浴凹糇约骸倍?/strong>。
DNA的工作第一步當(dāng)然是轉(zhuǎn)錄成RNA，但是“喪尸基因”轉(zhuǎn)錄出的RNA卻不一樣，它不會(huì)像其他RNA一樣老實(shí)地去翻譯蛋白質(zhì)，而是會(huì)自發(fā)地折疊成一個(gè)形狀，這種變成后的RNA具備了一種特殊的化學(xué)活性，它可以把自己的母親，也就是“喪尸基因”從DNA鏈條上剪下來(lái)。剪下來(lái)的“喪尸基因”會(huì)與細(xì)胞中游離的堿基配對(duì)，復(fù)制自己，然后再偷偷地整合到其它DNA鏈條上。
DNA復(fù)制
這樣一來(lái)，不需要多久，DNA鏈條上就會(huì)到處都是“喪尸基因”，這些基因什么活也不干，只是不斷地增殖增殖，將整個(gè)基因組搞的烏煙瘴氣。我們真核生物的基因之所以是一段一段的，就是拜“喪尸基因”所賜，給剪斷了導(dǎo)致的。人類基因組里有一半都是“喪尸基因”或者它們突變失去功能的“遺體”，平均每個(gè)基因中都有三個(gè)“喪尸基因”，有死有活。
借刀殺人之計(jì)
當(dāng)然，真核細(xì)胞也不可能毫無(wú)對(duì)策，對(duì)付“喪尸基因”的最好方法就是以毒攻毒。細(xì)胞中出現(xiàn)了一種特殊的蛋白質(zhì)，可以將“喪尸基因”產(chǎn)生的“RNA剪刀”包裹起來(lái)為我所用，在每次轉(zhuǎn)錄后都將那些不需要的基因產(chǎn)生的RNA片斷剪下來(lái)丟掉。
但是這里存在一個(gè)問(wèn)題——這把剪刀似乎不夠鋒利，它在剪RNA時(shí)所消耗的時(shí)間不短，但是核糖體翻譯RNA的速度卻特別快。如果它們都是混在一起的話，還沒(méi)等“RNA剪刀”去除多余的部分，有問(wèn)題的RNA就已經(jīng)被翻譯成有問(wèn)題的蛋白質(zhì)了！
這也就是細(xì)菌對(duì)于“喪尸基因”零容忍的原因了，這東西一但出現(xiàn)在細(xì)菌體內(nèi)就一定會(huì)完蛋，幾乎所有的細(xì)菌都沒(méi)有被“喪尸基因”感染。
畫(huà)地為牢之法
真核細(xì)胞呢？這可能就是細(xì)胞核存在的原因：一個(gè)十分簡(jiǎn)單粗暴的方法解決問(wèn)題——把核糖體與問(wèn)題RNA分開(kāi)。
這樣就有充足的時(shí)間減掉問(wèn)題RNA上的錯(cuò)誤部分了，修整好的RNA穿過(guò)核孔再與核糖體相遇，就能正常工作了。
這樣，真核細(xì)胞通過(guò)“借刀殺人”與“畫(huà)地為牢”，成功解決了第一次“基因喪尸危機(jī)”。
大難不死必有后福
危機(jī)解決后我們甚至還有一些意外收獲，不再為害的內(nèi)含子給真核生物帶來(lái)了兩個(gè)好處：
其一是無(wú)用基因在被剪刀開(kāi)時(shí)偶爾也可以部分參與蛋白質(zhì)的合成，這就像是一個(gè)不斷創(chuàng)新的廚師嘗試著更多的滋味組合。正因如此，人類僅有的2.5萬(wàn)個(gè)基因竟然可以合成多達(dá)6萬(wàn)種蛋白質(zhì)。
其二是變得巨大的基因組讓細(xì)胞生化活動(dòng)減速，減速其實(shí)是一件好事，不僅可以延長(zhǎng)細(xì)胞生命，還讓細(xì)胞開(kāi)始積攢DNA和基因，有機(jī)會(huì)和余力探索更廣大的復(fù)雜性。
這就是細(xì)胞核的故事，一個(gè)大戰(zhàn)喪尸因禍得福的故事。
我是酋知魚(yú)，一個(gè)有點(diǎn)東西的科學(xué)作者，歡迎關(guān)注！
