能流进化论——细胞的基本结构和功能单位应该是什么?

       我们都知道,细胞是生物体的基本结构和功能单位,那么细胞的基本结构和功能单位又是什么呢?在回答这个问题之前,我们先了解一下船只是如何通过三峡大坝的。

       三峡大坝上下水位落差113米,上游船只需要通过五级船闸才能到达大坝下游。如下图所示,首先,船只先过第一级闸室,然后关闭下游人字门,通过开合地下阀门,让第一级闸室往第二级闸室内充水,利用连通器原理,使得两级闸室内水位一致。然后,第一级闸室门打开,船只驶入第二闸室,就这样,船只像下楼梯一样一级一级的向下,最终到达下游航道。

       那么,对于一个细胞而言,其能量供体里的能量是如何经细胞流向能量受体的呢?我们先看一个生化反应,在磷酸甘油酸激酶的作用下,1,3-二磷酸甘油酸裂解生成甘油酸-3-磷酸,同时,裂解过程中释放出的能量传递至ADP,使其转变成ATP。在这条能流中,1,3-二磷酸甘油酸是能量供体,ADP是能量受体,磷酸甘油酸激酶是能量传递介体。该能流的发生,使得能量相对较高的1,3-二磷酸甘油酸裂解生成能量相对较低的甘油酸-3-磷酸,以及能量相对较低的ADP转变成能量相对较高的ATP。甘油酸-3-磷酸和ATP之间的能势差比1,3-二磷酸甘油酸和ADP之间的能势差要低,也就是说,这一条能流的运行,使得当前环境中的能量分布相对更加的均衡。由此可见,细胞内的生化反应就像三峡大坝里的一道水闸,使得细胞介导的能流在一个特定的区域实现了能势的相对均衡。

       作者认为,对于任意一个能量分布不均衡的体系而言,根据能量在体系中各物质分子之间的传递,可将这个体系分解成一个个由能量供体、能量传递介体及能量受体组合而成的基本单元,在《隐藏的动力:生物在自然界中的价值》一书中将这种单元称为“能量传递单元”,用“能量供体→能量传递介体→能量受体”这一形式表示,箭头表示能量的流动方向。例如,由1,3-二磷酸甘油酸、ADP、磷酸甘油酸激酶三种物质所构成的能量传递单元,记作为“1,3-二磷酸甘油酸→磷酸甘油酸激酶→ADP”。基于上一段的分析,我们可以发现,能量传递单元的功能在于驱动特定物质之间的能量均衡。能流传递单元不止局限于由物质分子构成,也可由生物体构成,例如,由羚羊、狼、狮子和氧气组成的体系中,含有“羚羊→狼→氧气”和“羚羊→狮子→氧气”两种能量传递单元。

       综上所述,能量传递单元驱动了物质之间能势差的相对平衡,体现了生物在自然界中能量流动方面的价值。因此,作者认为,由细胞内的物质分子组成的能量传递单元是生物细胞的基本结构和功能单位,一个生态系统内的包含生物体的能量传递单元是生物体所在生态系统的基本单元,它们的价值均体现于能量平衡能力。

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