一口气看完碳基生命数亿年的演化之路

🔬 化学元素的结合

知道的越多，恐惧的越少。我是头发永远比你少的晨晨爸爸。今天我们的故事就从构成生命的八个元素开始。这八个元素是氢、碳、氮、氧、磷、硫、钾。碳是构成生命的主要元素，因此我们被称为碳基生物。

🧪 化学键的作用

化学键是原子之间的结合，其中最稳定的结构是最外层八个电子。碳元素有六个电子，因此主要形成共价键。共价键的形成使得碳元素能够构成多种多样的化合物，最终演化出了碳基生命。

🌱 碳组合出的化合物

碳和氢组成的共价键形成了碳氢化合物，如脂肪酸和糖。加入氮元素后形成氨基酸，而核苷酸则是由核糖或脱氧核糖和碱基以及磷酸盐组成。

🧬 生命的密码

核糖形成的核苷酸聚合起来叫做核糖核酸（RNA），而脱氧核糖形成的核苷酸聚合在一起形成了脱氧核糖核酸（DNA）。这些核酸记录着生命的信息和指挥生命活动。

🔍 下一期内容预告

一切才刚刚开始，下一期我们将探索细胞内部的工作。

知道的越多，恐惧的越少。如果觉得我说的还不错，点个关注吧。

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<title>一口气看完碳基生命数亿年的演化之路</title> <transcript> 点个关注再走呗！👍

碳基生命的演化

大家好，我是头发永远比你少的晨晨爸爸。今天我们来看看细胞的工作。上篇我们通过有机化学了解了生命的基础物质，但并不是把这些物质凑一块就能变成细胞了。一套最基本的细胞设备需要拥有以下几个部件：

• 一本使用说明书（DNA）
• 一套能够阅读明白说明书的RNA和核糖体
• 以及最后负责把这些东西打包的膜（细胞膜）

这些部件凑一块才能组成生命的基本单元。当然这是最简单的状态，原核生物主要包括细菌和古菌，而我们肉眼能看见的生物都属于真核生物。

真核生物的特点

真核生物有小部分以单细胞存在，其余大部分都是多细胞生物。真核生物的细胞形状多样，尺寸差别也相当的大。但无论人类细胞长得再怎么奇形怪状，都改变不了一个既定的事实：他们都有同一个祖宗——受精卵。

细胞内部结构

每个真核细胞基本都会有下面几个部件：

• 一层内膜包裹着DNA形成细胞核
• 线粒体负责制造能量（ATP）
• 内质网布满了核糖体，用来制造蛋白质
• 高尔基体负责将蛋白质分类包装，运输到工作场所
• 外面一层是脂膜，把这些物质打包包裹起来

这就是典型的真核细胞。当然这是真核细胞最基本的组成，有些细胞还有一些特殊结构，比如植物的细胞壁和叶绿体。

DNA：生命的秘密

DNA生命的秘密全部藏在说明书DNA里。基因组通过各种碱基配对储存的生命信息，而细胞通过一些方法读取这些存储的信息制造蛋白质。这一过程主要依靠转录和翻译两步。

转录过程

转录的第一步是解开双螺旋结构，需要一种酶参与工作，叫做RNA聚合酶。细胞核中游离的核糖核苷酸按照配对原则，在聚合酶内一个一个的粘上去。最后得到一个信使RNA（mRNA）。

翻译过程

信使RNA离开细胞核进入到细胞质中，细胞会读取这段信使RNA的信息，每三个碱基为一个词（密码子）。每个密码子会配对一个氨基酸。翻译过程从AUG正式开始，核糖体不断从mRNA的五撇朝三撇方向移动，携带不同氨基酸的转运RNA根据互补配对原则不断的进来，形成多肽链。直到遇到终止密码子，翻译过程结束，一个多肽链就形成了。

这就是细胞内部的基本工作流程。希望你们喜欢这个视频，别忘了点赞和关注哦！👋 </transcript>

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转录和翻译的典型过程

在真核细胞中，转录和翻译是分开进行的典型过程。而在原核细胞中，由于没有细胞核，这个过程是同时完成的。在转录过程中，核糖体会从一个AGGAGG的序列开始，结合到信使RNA上，然后一路向三撇方向扫描，直到到达初始密码子AUG，也就是每个动态链的起始位置，开始进行翻译。这个过程叫做基因的表达，因为蛋白质是生命活动的主要承担者。基因通过这个过程来调控整个生命活动。

蛋白质的运作方式

一个多肽链形成之后，还会经历一系列的过程才能成为真正有作用的蛋白质。蛋白质制造出来之后，会参与身体内纷繁复杂的生命活动。在下一期的视频中，我们将一起探索蛋白质在身体里的运作方式，发现一个无比精巧的世界。

神经细胞的电势差

神经细胞内外的环境不同，导致细胞内外的电位差。当神经细胞受到刺激时，会产生动作电位，传导出去让身体产生反应。这个过程需要蛋白质的帮助。

蛋白质的帮助

在翻译时，多肽链会先合成一段大约15~30个左右氨基酸的信号肽，内置网上的受体蛋白识别这个信号肽之后会与之结合，然后产生一个通道，泰利慢慢通过这个通道进入内质网内。随后信号肽被膜内的信号肽酶水解掉。这个过程需要蛋白质的帮助。

蛋白质的运输

蛋白质在细胞内外的运输需要各种蛋白质的参与。通道蛋白和载体蛋白是两种不同的运输方式，都需要蛋白质的帮助。此外，细胞内外的物质转运也需要主动运输，比如钠钾离子泵。这些运输方式都需要蛋白质的帮助。

生命活动的主要承担者

蛋白质是生命活动的主要承担者，没有它们就没有生命。细胞膜、细胞内外的物质交换、神经细胞的电势差等都需要蛋白质的帮助。知道的越多，恐惧的越少。

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细胞内的运作

子泵的不停运作下，细胞内外环境逐渐恢复到之前的静息状态，等待下一次的激发。这个过程和用水泵抽水一样，也需要功能。即使我们啥事不干，发空自我漫游，虚空大脑依旧在消耗大量的能量，目的就是为了下一次激发做准备。主动运输不止这一种类型，还有很多其他的泵，不过道理是相通的，就是主动把浓度低的往浓度高的地方运输，这需要消耗能量。主动运输使用的也是载体蛋白。除了以上两种运输方式，细胞还会通过另一种方式和外界交换物质，那就是胞吞和胞吐。包吞包吐也需要工作蛋白的帮忙。当工作蛋白在tb的作用下，将质膜的一个区域向内拉的时候，胞吞作用就开始了。无论什么东西被束缚在膜的外表面时，都会被密封在一个小泡里，然后小炮脱离膜进入细胞。进入细胞内部后，小泡的膜破裂，里面的物质就可以被利用了。胞吐作用则完全相反。整个过程不是随便发生的，需要细胞表面的受体蛋白确认的信息才会进行。进入细胞的这些分子以新的方式进行分解和重组，这个过程叫做细胞的新陈代谢。每一个代谢过程都需要各种蛋白质的帮忙，一般主要是各种各样特殊的酶。

光合作用的演化

在地球上诞生了一种细菌，蓝细菌，能够利用太阳光提供的能量，将二氧化碳和水制造成储存能量的有机物，同时释放出一个附带产物氧气。随着时间的推移，这些早期光合细菌族群越发壮大，其结果就是地球上这些物质被消耗的越来越少，导致电子来源逐渐耗尽。演化的齿轮推动着这些微生物进一步前进，于是他们开始利用其他的电子来源，比如甲酸盐、碳酸氢盐和水。大约35亿年前，地球上的氧气浓度开始上升，导致大量的厌氧生物灭绝。现如今，氧气对于大部分生物来说是必不可少的。光合作用的过程包括光反应和暗反应，其中光反应需要光的能量来提供电子，而暗反应则是利用这些电子来将二氧化碳和水转化为有机物。

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孟德尔的遗传定律

孟德尔通过种豌豆发现了遗传定律，即基因能表达不同的性状，分为显性性状和隐性性状。这些性状的组合会影响后代的表现。

生殖细胞的形成

生物的生殖细胞包含一半的染色体，通过减数分裂形成。这个过程中，同源染色体会进行配对和基因重组，产生全新的染色体组合。

有性生殖的优势

有性生殖可以产生更大的变异，让自然选择有更多的机会。相比之下，无性生殖的种群很难将两个有益突变结合在一起，因此有性生殖在适应环境和避免灭绝方面具有优势。

氧气的重要性

氧气对于地球生态圈的影响非常巨大，是生命活动必需的。光合作用产生的氧气填满了大气层，形成了一层臭氧，阻止紫外线对地球的伤害，让地球成为了一个宜居星球。

细胞有氧呼吸

细胞有氧呼吸的第一阶段叫糖酵解，是没有氧气时生命制造ATP的过程。

通过这些过程，我们可以看到生命的演化之路，以及氧气在其中的重要作用。

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ATP的产生过程

在糖酵解过程中，葡萄糖分解为丙酮酸，释放能量并产生两个ATP。这种方式为细胞提供了稳定的能量，但效率较低。有氧呼吸进一步发展自糖酵解，产生更多的ATP，支撑起复杂生物的能量需求。

有氧呼吸的重要性

有氧呼吸的产物进一步产生ATP，支撑细胞的活动。如果没有氧气参与，生命只会以微小的形态存在。有氧呼吸对于能量的使用效率大约是40%，而没有氧气参与的呼吸效率不足10%。只有有氧呼吸才能支撑起多层食物链，满足生物对能量的需求。

氧气的重要性

氧气不仅让大型生物能够生存，还为生物提供了演化的机会。光合作用和有氧呼吸共同支撑起了蓝星生态圈的平衡，使生命得以源源不断地获得动能。

生命的能量来源

生命的能量主要来源于太阳，而在原始地球的环境下，生命也是通过有氧呼吸获取能量。生物制造ATP的过程并不是简单的化学反应，而是类似于水力发电站的过程，需要时放水产生ATP，不需要时用泵把水抽到大坝里储存势能。

彼得米切尔的理论

彼得米切尔提出了化学渗透理论，认为生物产生ATP的过程类似于水力发电站，而不是简单的化学反应。这个理论虽然复杂，但解释了生物产生ATP数量不一致的现象。

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发现细胞能量工厂的秘密

随着时间的推移，人们逐渐发现细胞能量工厂线粒体中存在极高的氢离子浓度差，这个发现开始动摇了很多人的观念。米切尔理论中的水力发电站难以解释细胞为何要维持如此危险的电荷差。然而，线粒体就是一个水电站，而ATP合成酶就是一个蛋白质，驱动ATP合成为以每秒上百次的速度高速旋转，从而产生ATP分子并释放。

生命的能量货币

为什么生命要用这么一个机制制造能量货币？为什么不用更为直接也更为精确的化学反应？这种稳定的氢离子浓度差出现的地方是稀缺的，但在海底烟囱中却存在着这种稳定的氢离子浓度差，为我们的原始祖先提供了最早的生物能源。

逆转录病毒的发现

逆转录病毒的发现重新定义了生物学界的认知，它们可以将遗传信息从RNA转录成DNA，并整合进宿主的基因中。这个发现也解释了DNA的出现，从RNA逆转录成DNA在原始地球的海底深渊并不是一件很难发生的事情。

PCR扩增技术

PCR技术是一种核酸检测技术，通过将DNA模板、引物以及DNA聚合酶等反应组混合，加热至94度使DNA模板双链解开，从而得到单链DNA。

以上就是碳基生命数亿年的演化之路，让我们对生命的起源有了更深入的了解。

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PCR技术与生命起源

PCR技术中的温度和浓度对生命起源的关键因素有启发。海底热泉提供了高浓度核苷酸环境，使得RNA分子容易产生。温度的变化也为复制提供了条件。然而，为什么生命需要演化出逆转录的过程呢？

RNA的复制与演化

实验室研究发现，自我复制的RNA大多是短链，这与RNA的不稳定性有关。尽管短链RNA具有化学催化能力，让基因表达多样化，但它们各自为政，无法形成完整的细胞。因此，众多RNA联合起来才能形成一个完整的细胞，具备完整的代谢和复制能力。

RNA的合作与竞争

RNA的合作与竞争形成了一种筛选环境，筛选出能够自给自足、合理分配资源的RNA，最终形成了独立自主的生命体。

DNA的出现与生命的延续

DNA的出现为生命的延续提供了保障，通过DNA转录成RNA，再通过RNA指导蛋白质合成，不断扩大自身的竞争优势。

生命的多样性与演化

生命的多样性是经过漫长的积累和变异才得以形成的。原核生物到真核生物、单细胞生物到多细胞生物的转变，都是经历了漫长的积累和内功深厚的结果。

细菌和古菌的分化

细菌和古菌的分化是经过漫长的研究和分析，才得以清晰地界定出三个域：细菌域、古菌域和真核生物域。

基因分析与生物演变

基因分析类似于语言的变迁，可以帮助我们推测物种之间的远近关系，以及生物的演变历程。

摘要

生命的演化经历了漫长的积累和变异，最终形成了多样的生物形态和生态系统。对于生命的演化，我们需要持续深入地了解，以便更好地理解生命的起源和多样性。

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亿年演化之路 🌍

演化历史上的另类

在演化史上也有类似温州话的这个问题。如果大家都是按顺序演化，就很容易通过鲁肃撸出来物种远近。但是哪有这种轻松惬意的好事？你别看DNA只有简单四个字母ACGT，如果变一次确实好认，但是怎么可能只变一次呢？很有可能你以为这个字母没变，实际上它按照ACGTA变了好多次，又变回去了。甚至ACAGATACACA这样变了几十次，最后又变回去了。根本不知道这个位置的这个字母是变了五次还是变了50次。所以就算是基因分析，也不是哪段基因都能拿来分析的。既要找核心的基因组，还要找不止一只基因组多方比对。然后问题就大条了，分析的越多，这问题不是越来越清晰了，而是越来越模糊了，因为大家发现一通操作猛如虎，结果让人变成了二百五。

真核细胞的复杂性

如果选择三个月都共同拥有的基因分析下来，细菌和古菌的区别很明显，但是真核细胞却不行。真核细胞就他妈是个嵌合体，就好比你发现一个生物有狼的耳朵、鹰的眼睛、豹的速度、熊的力量还是个直立行走的卷毛狒狒的样子，你说他到底是个人还是其他的？啥都不是，他是布雷斯塔警长，Three star，爱乐的heart，一队长，队长，辣椒飞了就真核生物也差不多是这么个情况。分析的基因库越多，人们发现真核细胞有的基因来自细菌，有的基因来自古菌，一个实实在在的嵌合体。

真核细胞的演化

大家可能很奇怪，嵌合体就嵌合体呗，也没啥。其实是大家现在接受的科普比较多了，阈值提高了。真要放演化史上，这可是一件捅破天的大事，因为之前说真核细胞是在古菌域基础上慢慢演化出来的，符合渐进演化的逻辑。但是现在发现真核生物却是兼具细菌和古菌的特征。南门的细菌和古菌之间有什么PY交易，产生了真核细胞，就好像说老虎和老鼠结合产生了一棵白杨树，你说完全不可能嘛，也不是那么回事。

细菌和真核细胞的演化差异

你要说就这么自然产生的也太难受了，如果这样行得通，那为什么现在就不可以了，这让搞生物的怎么受得了这种事情。于是几十年来，各路生物学家开始了掐指一算，对就是猜有的天马行空的幻想了一通，有的把演化树撸了一遍又一遍，各种理论都有。大家听得最多的是原始吞噬细胞理论，相信很多人已经烂熟了。真核细胞的祖先慢慢演化，累积在现代真核细胞的各种特质，比如细胞核、细胞骨架、各种细胞器，顺便把细胞壁演化没了，然后还演化出了最重要的一项能力，吞噬他们到处游走，不停的吞噬其他细胞。然后某一天，恰巧吞掉了一个能够有氧呼吸的细菌，又恰巧的消化不良，让这小子在体内活了下来，于是形成了一种内共生关系，被吞掉的细菌变成了真核细胞的线粒体，完成了演化史上最重要的1月。

真核细胞的复杂化

完成了完整体的真核细胞之后，又在某个机缘巧合下吞了另一个细菌，蓝细菌一样的消化不良，一样的共生关系被吞掉，蓝细菌变身叶绿体，真核细胞就分叉了一部分，变成了植物，这也是我们听到的最多的一种假说。当然还有其他不同的假说，比如吞食这件事情目前是不确定，也可能是古菌和细菌因为某些原因生活在一起，互相之间协作演化的情况下，慢慢搞到一起，变成了一个嵌合体。但是有一点是确定的，那就是古菌和细菌肯定是演化出了一段内共生关系，然后这个内功深的古菌逐渐与其他古菌分道扬镳，成为了真核细胞。

细菌和真核细胞的演化差异

现在就要解决另一个问题了，细菌在演化史上就跟一年老乌龟一样，一开始就那么小，到现在还是那么小，但是真核细胞就跟吃了大力丸一样，登上历史舞台之后，爆炸性的演化出了多种形态。凭什么为什么细菌就不能变大变复杂，为什么真核细胞就能迅速演化出各种复杂形态？这其实是两个问题。

能量限制和真核细胞的演化

第一个问题是细菌为什么不能复杂化，实际上原因来自于能量。在碳基生命第八期，我们了解了生命利用能量的方式，实际上是依靠制造氢离子浓度差来进行的，而那个隔绝两边的大坝是细胞膜，把质子从膜的一边蹦到另一边，储存氧化反应过程中的能量变成势能，在需要的时候释放。几乎所有生命都采用了这种方式。对于细菌来说，如果它变大，体积的膨胀是三次方，而能量存储方式是把质子从细胞膜的一边蹦到另一边，细胞膜的膨胀是面积的膨胀是二次方，这种情况下体积越大，相对可利用的能量反而变小了。这就注定了原核生物反而是体积越小，利用能量的效率越高，所以实际上细菌也是这么演化的，经常会丢掉无用基因，让自己变小点，这样复制速度反而更快。

真核细胞的复杂化和线粒体

这一切都和线粒体有关。当那次演化史上的著名邂逅内共生关系发生之后，细菌进入古菌体内，按照细菌正常的演化方式，会开始疯狂丢弃无用的基因，比如控制一个细胞壁的基因，大概占5%左右。形成内共生关系之后，线粒体完全可以抛弃这部分基因，这些基金之前都负责生产蛋白质，这部分能量就节省下来了，就可以用来干别的事情了，比如建造细胞骨架或者微管公路，或者合成别的蛋白质。这只是算一个线粒体阶层的一个细胞里，可能有好几百个线粒体，像阿米巴原虫这种拥有多达30万个线粒体，节省能量非常巨大，而线粒体丢的可不是细胞壁这点东西，他几乎把所有基因都丢没了，人类和动物的线粒体只保留了十几个最核心的操控有氧呼吸的基因组，99%以上的基因都被抛弃了。如果100个线粒体丢掉99%的基因，那么他们在24小时的生命周期里，可以节省1万亿个TP线粒体和他们祖先制造ATP的能力不相上下，但是减少了绝大部分开销，多余出来的能量就可以让真核细胞开始演化出复杂的功能。

真核细胞的复杂化和细胞核

这时候我们发现真核细胞演化的内在逻辑也变了，细菌们是越小越有利于它们的复制分裂，但真核生物变得越大越好，因为他们只要足够大，就能邂逅更多的内功，身体也就是装箱的线粒体越多，所获取的额外能量优势也越大，分工又是伟大的分工，促进了生命的跃进，而线粒体们丢弃的基因也是真核生物复杂化的重要推动力，与这些被抛弃的基因插入到了真核生物的DNA中，真核细胞和原核细胞最大的区别就是细胞核。

细胞核的作用

我们很多时候认为细胞核是为了保护DNA，但是细菌就没有细胞核啊，照样轻松惬意的靠着乱丢基因活过了几10亿年时间。经过碳基生命前几期的视频，我们知道真核生物从DNA转录成RNA的时候，必须有一个步骤就减掉无用的内含子，剩下的重新组合的MRNA才去翻译成蛋白质，而细菌这种原核生物没有这个步骤，他们转录和翻译是同时进行的，不需要剪切内含子的过程，因为细菌几乎没有这种勇于编码。如果真核生物用细菌的表达方式，一边转录边翻译成蛋白质，那就没有时间去剪切掉内含子，最终得到的肯定是一堆无用的蛋白质。所以细胞核真正可能的作用其实就是给细胞有时间去减掉无用的内含子，不然就没法顺利表达了，而这些内含子的来源在最开始其实就是线粒体嘛抛弃的基因，到了后来才陆续有其他形式的基因加入。

真核细胞的复杂化

可以说真核生物在最开始为了应对这种情况，无奈的演化出了细胞核，但是当这个问题被成功解决之后，内涵子就变成了一种演化优势，因为这些随机插入到基因组中的表面，看似无用的基因，在漫长的演化之力注入下，不同的插入和剪切方式就会使出各种不同的蛋白质出来。人体大概只有2.5万个基因，但是可以做出至少6万种不同的蛋白质，它们让生化反应变得更加多样和细致，正是因为这些因素，真核细胞不用再刻意的追求繁殖速度，他们可以有闲暇去积累DNA，虽然大部分DNA可能没啥用，但有一些却可以成为新的对演化有帮助的基因，于是大型化和复杂化成为了势不可挡的趋势，从此世界一分为二，一边是永恒的追求分裂速度的原核细胞，另一边是在空间和结构上越来越复杂的真核细胞。也许那一次伟大的内功生邂逅是一种偶然，但是当这种偶然成功出现，一个受困于能量尺寸和基因积累的世界，被彻底解开，通过无限的重组试错，才研究出了这丰富多彩的生命之歌，最终迎来了复杂生命的大爆发。 下一期我们聊另一个重要转折，多细胞生物的诞生。知道的越多，恐惧越少，我们是三个老爸实验室，你的每次三连都要决定未来内容市场的方向，欢迎点赞评论转发支持我们，如果觉得我说的还不错，点个关注再走呗，伟大的真核生物们，拜拜。