大家好!这里是“天天听好书”。今天我们要讲的是福建教育出版社2020年5月出版的《观念生物学》。这本书入选了2020年7月百道好书榜新知类。
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作者马伦·霍格兰是美国生物化学家。另一位作者伯特·窦德生是才华洋溢的画家,曾为60多本书籍绘制插画。在书中,两位作者打破人们固有的“生命是千差万别的”传统观念,给出生命同一性的概念。从微观角度描述生命的工作模式,环环相扣,层层递进。从原子到分子,从个体到群体,解释了宏观生命的运作原理和不同生物的相同本质,体现了自然世界的同一性。搭配幽默风趣的漫画帮助解说,读者会比较轻松,去理解生命的运作方式。
全书共七章。这里要讲的内容来自第二章“能量”。生物是如何获取、储存和利用能量的?在生物界,能量的流通有什么特点?这就是本章的内容。
要理解能量在生物中的作用,首先要了解,在生命的形成过程中,能量发挥了什么样的作用。
地球上充满了密集拥挤的原子。这些原子处在馄饨状态中,而且总是处在随机的混乱的碰撞中。如果原子与原子相碰时状态合适,力道足够强,它们之间就会产生化学键,并由此产生分子。理论上来说,连续不断的碰撞可能使分子连接成长链。这样的化学反应是发生在我们周围和我们身体内部的一切事情的本质。
那么,原子之间的相互碰撞是如何形成分子的呢?原子有一个带正电荷的核和带负电荷、具有能量的电子,电子围绕着核高速旋转。当原子们相互碰撞时,绕核旋转的电子们,由于同性相斥的原理,便竭力把原子们分开。然而,运动着的原子具有动能,如果两个相碰撞的原子的动能很大,大到足以克服电子之间的排斥力,那么两原子之间将发生化学反应,最终两个原子合为一体,共享彼此的电子,形成所谓的共价键。
共价键是一种强有力的连接方式,正是它把那些构成生命的关键原子,如碳、氢、氧、氮、磷,等等,连接成了简单的小分子,再把这些小分子进一步连接成链状大分子。
能量创建了化学键,化学键又相当于能量的储藏柜。能量就像燃料,在生物的细胞里燃烧,发挥作用,使生物能够完成运动、生长和繁殖之类的壮举。
有时候,小分子之间强烈的碰撞,也可以使化学键断裂。这时,会以热能的形式释放出能量。
某些分子中至关重要的化学键可以释放出异乎寻常的高能量。当这些高能化学键断裂时,它们的能量不一定完全以热能的形式散失,而是被捕获并储存到新形成的化学键里,也就是说能量被转移到了新生成的分子中。
所有重要的细胞活动,比如构建有机体、生物的运动等,实质都是化学键之间能量的传递。的确,所有发生在细胞里的生命活动,都是各种化学键断裂、生成和能量传递过程的组合。
令人称奇的事情是,生物体内所有繁杂的化学过程,事实上应该说宇宙中所有物质和能量的流动,都遵循两条基本的热力学定律。热力学第一定律认为,在化学反应过程中,系统可以获得或损失能量,能量可以在不同系统之间传递,但能量不会无中生有,也不会消失成空。
热力学第二定律则明确表示,宇宙中的能量总在扩散和流失,万物总体上是从有序向无序演变,只有生命随着时间的推移,会变得越来越有序,越来越复杂。
生命是如何逆流而上的呢?这就要从原子之间形成的化学键说起。地球上的分子不断地生生灭灭,相互碰撞,原子之间、分子之间的化学键也就不断地产生、断裂,能量不停地流动。化学键形成时消耗的能量,要比键内储存的能量多,多余的那部分能量都扩散到周围了。热量的扩散,确保已经制造完毕的化学键保持完好,至少能保存一段时间。
原子之间化学键的形成,能够编写生命的遗传信息;这种信息反过来又组建了分子排列秩序。这样一来,能量虽然递减,生命的信息却不断积累,生命的复杂程度如滚雪球一般增加。
既然细胞内的生命活动都需要外界输入能量,用以完成各项活动和产热,那生命就需要一种专门用来提供能量的分子。生命在进化过程中,产生一种叫作ATP,也就是三磷酸腺苷的分子,它差不多是按上述要求定做的。每个ATP中,有两个共价键,把三个磷原子连接在一起。这两个高能共价键,完全可以给其他化学键的形成提供能量,而且绰绰有余。当生命需要能量时,它就像扯断项链,并揪下其中一颗珠子一样,打断ATP中一个磷酸键,以释放其中的能量。这样,ATP就被“消费”掉了,因此我们把ATP称作细胞的“能量币”。
生命活动需要许多ATP。在任何时刻,每一个活细胞里都有10亿个ATP分子。每隔两三分钟,这10亿个ATP的磷酸键就会被消耗,紧接着又被重建。由此推算出,一个人每天循环利用的ATP达1千克左右。可见,细胞对能量的需求是很大的。
我们知道,原子之间和分子之间,是在混乱中随机碰撞的。分子之间发生化学反应,完全是偶然的。但是,细胞这种生命体要生长发育,不能只靠碰运气。它必须找到办法,确保那些化学反应更快更顺利地进行。这就要把分子调度到合适的位点,并促使它们发生化学反应。
这样的重任由酶来承担。酶是一种催化剂,即化学反应的加速因子和辅助因子。每种酶分子的表面,都有一些特殊的附着点,是小分子十分理想的附着位点。一旦捕获了这些小分子,酶就会通过化学变构作用,促使它们发生反应,也可以说是协助它们之间发生碰撞。
细胞里存在上千种酶。酶是大分子,比它催化的那些小分子要大几百甚至几千倍。几乎所有的酶都是蛋白质,是由更小的分子构成的长链大分子。这些链分子扭转、弯曲、折叠后,形成不同的空间结构。酶的种类之多、用途之广令人赞叹。酶能够操控小分子反应物,调节反应过程,“读取”DNA的指令,接收化学信号并做出反应,等等。
从宏观上看,地球上所有生命体的能量都来自太阳。每天,太阳发射的光芒,在茫茫宇宙中穿越1.5亿千米来到地球。在地球上,光能转变成热能,搅动着空气中、水中、沙粒中和石块中的每一个分子。
太阳的能量单方向地、递减式地流经每个生物体,流过整个生物界。所有进入地球生物圈的能量最终又都离开,以热能的形式扩散到太空中。一路上能量渗过几个阶层的“消费者”。
在第一层,是绿色植物和光合细菌。它们捕获太阳光能,并把它储存在糖分子的化学键里,这一过程就是光合作用。植物生产糖是为了满足自身的需要,但是其他生物也会从中受益。食草动物直接食用植物,以获取其中糖分,食肉动物通过捕食食草动物,间接获取它们需要的那一份糖。而第四组生物主要是细菌和真菌,以分解前三组生物的排泄物和尸体来获取糖分。
大多数生命个体的能量都在新陈代谢中被消耗掉了,剩下的被储存在化学键里的,只是流经该生物体的全部能量中的一部分。因此“食物链”就像一个倒置的金字塔,每一层的消费者只汲取一部分流过该层的能量。从植物到食草动物,再到食肉动物,消耗的能量越来越少。
这样看来,植物实在是生物界的先头部队,而以人为代表的动物,则是在植物制造的糖积累到足够多的数量时,才登上了进化的舞台。
而在整个生物圈中,植物发挥着保持生态平衡的作用,它是我们的燃料,也是氧气的制造者,还能消耗大量的二氧化碳,使我们不至于过热。
总之,就在地球上光热能量转换的过程中,生命截取其中一部分能量,构建了具备生长、运动和繁殖能力的机体。因此,在整个宇宙能量逐渐耗散,从有序向无序演变的过程中,生命能够逆流而上,开启一段从无序向有序演变的进程。
好了!想了解更多内容,建议打开《观念生物学》。感谢你天天听好书,我们明天见!
《观念生物学》
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出版社:福建教育出版社
作者:[美]马伦·霍格兰,伯特·窦德生
译者:洋洲,玉茗
出版时间:2020年05月
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