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細(xì)胞核有什么作用?你一定想不到,竟是最早的“喪尸圍墻”(細(xì)胞核起什么作用-)

本篇要說的,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。

細(xì)胞核有什么作用?你一定想不到,竟是最早的“喪尸圍墻”(細(xì)胞核起什么作用-)

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,它們可以長得非常大,平均來說是細(xì)菌的1萬~10萬倍,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)。

細(xì)胞核有什么作用?你一定想不到,竟是最早的“喪尸圍墻”(細(xì)胞核起什么作用-)

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。

不過這與細(xì)胞核都沒有關(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,也就是說它有必須存在的意義,那么這個(gè)意義到底是什么呢?

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細(xì)胞核之迷

這個(gè)難題目前還有一定的爭議性,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)上來說它是內(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。也就是說細(xì)胞核在進(jìn)化上是來源于內(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)胞核有什么作用?你一定想不到,竟是最早的“喪尸圍墻”(細(xì)胞核起什么作用-)

細(xì)菌不僅沒有細(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。

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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,沒有多余無用的信息,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)都是從來不會(huì)表達(dá)的DNA,這在初中生物中也有學(xué)過,叫“內(nèi)含子”,人類的DNA長鏈中高達(dá)98.5%都是“內(nèi)含子”!

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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細(xì)菌的關(guān)鍵。當(dāng)年我們的生物老師是這樣說的——這些多余的DNA是用來緩沖突變的,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)含子來緩沖。

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當(dāng)年的我雖然小,但是卻對(duì)這種說法感到奇怪——突變是概率事件,無論塞多少無用的基因進(jìn)去也不可能減少有用基因的突變,每兩個(gè)堿基之間的突變是不會(huì)相互影響的。

事實(shí)證明,當(dāng)年的我雖然沒有站起來大聲質(zhì)疑老師,但確實(shí)猜對(duì)了,內(nèi)含子并不是用來應(yīng)對(duì)突變的,事實(shí)上它們一開始的出現(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)含子的來源了

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瘋狂復(fù)制

生命史上的第一次喪尸危機(jī)

這里所說的“喪尸基因”倒不是說它會(huì)讓生物體變?cè)趩适?,而是說它們有一種非常糟糕的、類似喪尸的特征——無限增殖

這個(gè)基因的出現(xiàn)很可能是一個(gè)偶然,而且它也沒有什么如你們想象中的特別能耐,說起來甚至有一點(diǎn)好笑,只是因?yàn)樗梢浴凹糇约骸倍?/strong>。

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DNA的工作第一步當(dāng)然是轉(zhuǎn)錄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。剪下來的“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。

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DNA復(fù)制

這樣一來,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片斷剪下來丟掉。

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但是這里存在一個(gè)問題——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,還沒等“RNA剪刀”去除多余的部分,有問題的RNA就已經(jīng)被翻譯成有問題的蛋白質(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)菌都沒有被“喪尸基因”感染。

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畫地為牢之法

真核細(xì)胞呢?這可能就是細(xì)胞核存在的原因:一個(gè)十分簡單粗暴的方法解決問題——把核糖體與問題RNA分開

這樣就有充足的時(shí)間減掉問題RNA上的錯(cuò)誤部分了,修整好的RNA穿過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“借刀殺人”與“畫地為牢”,成功解決了第一次“基因喪尸危機(jī)”。

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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了兩個(gè)好處:

其一是無用基因在被剪刀開時(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2.5萬個(gè)基因竟然可以合成多達(dá)6萬種蛋白質(zhì)

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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,不僅可以延長細(xì)胞生命,還讓細(xì)胞開始積攢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,一個(gè)有點(diǎn)東西的科學(xué)作者,歡迎關(guān)注!

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