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生物的基因有沒有可能是「祖傳屎山」?

2020-10-21科學

光合作用中有一個關鍵的酶叫RUBP羧化酶,他的作用是讓CO2與1,5-二磷酸核酮糖(C5)加成,生成不穩定的6碳中間產物,最後再分解成3-磷酸甘油酸(C3)。然而,這個酶可能是出現在大氧化時期前的緣故吧,有一天生的bug,就是在氧氣濃度高的時候,會催化C5與氧氣的氧化還原反應,生成有毒物質乙醇酸(C2),然後再經過粒線體的處理重新轉變為CO2,再重新與RUBP(C5)結合,整個過程不僅沒有產出能量反而還消耗了好多能量。

C3植物,直接躺平,上古程式碼咋都不改。

// TODO: 改變羧化酶的植物,目前沒有,改變意味著光合作用的崩潰,植物個體死亡。

但是,植物界還是有英明的植物/*再拉一坨屎山*/最佳化光合作用過程的。

C4植物,我再加個機器,先預處理一下CO2,在葉肉細胞中CO2與磷酸烯醇式丙酮酸結合生成草酰乙酸在還原成蘋果酸以收集CO2,然後運到維管束鞘細胞分解蘋果酸獲得CO2,直接進入卡爾文迴圈,剩下的部份回到葉肉細胞再生成磷酸烯醇式丙酮酸繼續迴圈(有沒有感覺像屎山程式碼裏的 }}}}}}}}})。然而這套系統折騰下來劇耗能量,所以這也是非熱帶地區很少見C4植物和玉米為什麽要夏天在種的原因。

CAM植物(景天科酸迴圈),面向C端(荒漠),環境多變惡劣,用不起多個機子,於是乎直接多執行緒,一個細胞幹了C4兩個細胞的事,只不過白天消耗儲存的CO2,黑夜儲存CO2,有股並行的味了。為了儲存CO2,它們前進演化了富含大量液體的液泡,讓整個植物看起來肉乎乎的,於是有了多肉植物一說。然而這互斥鎖寫的有點亂,行程亂了 (高溫會影響CAM植物的代謝)直接關機重新開機(夏眠),然後一澆水就爛根。

2022.8.3

然而,IT界有句話:程式能跑就不要改它。生物也將其貫徹到底,低階的海綿就是個例子。

同理,為什麽相對低效C3植物不會自然界淘汰也有自己的原因。

首先要明白第一件事是光合作用會產生大量的NADPH,這樣就會出現一個問題,當葉綠體消耗NADPH遠小於NADPH的產生速度時,NADPH會趨向於與O2結合,產生出毒性很強的超氧化物,雖然葉綠體中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶,在一定程度緩解危害,但也架不住由自由基攻擊葉綠體DNA,導致葉綠體關鍵酶(像RUBP的大亞基)的合成受到幹擾,甚至導致葉綠體被細胞分解回收。第二件事是葉綠體中的ATP有一個量,而且葉綠體與外界交換ATP和 ADP/Pi的效率很低,葉綠體以半自主復制的形式消耗ATP更是少見,所以當因光作用產生高濃度氧環境的情況下,往往也是ATP飽和的時候。綜上所述:植物利用光呼吸提高CO2濃度,用卡爾文迴圈消耗ATP和NADPH,實作了過載保護。

但客觀上講,光合作用產生過量ATP/ NADPH實際上就是因為能量轉化效率的低下,從而讓無法轉換的能量破壞光合系統。有人說是光呼吸保護了光合系統。對,這一點沒錯,但同時也是它是屎山的的一個要點,如果使RUBP酶變化,不容易與O2結合,是在一定程度上提高了CO2的轉化率,但要冒著葉綠體被破壞的風險。就像你想處理屎山程式碼,在不細致了解的情況下亂改,最後屎山塌了,計畫崩了,放在生物裏就是滅絕了。如果你還是堅持要改變RUBP酶,那還要考慮幹旱脅迫下,植物在氣孔閉合時,如何保證CO2和水的穩定供應,正如評論中的伊眼攏鼻所說:生物的程式碼之屎,最簡單的體現就是人類試圖用cre語句呼叫某一個程式時,總有莫名其妙的野雞程式也跟著響應。

C4和CAM植物的經典之處就是封裝然後再模組化,把CO2的收集封裝成一個模組,再把CO2的固定(卡爾文迴圈)封裝另成一個模組,放在兩個細胞或者兩個時間段執行,但第一個模組相當耗能,這無異於把屎山分成一塊一塊的,再在裏面精明的拉一泡,最後還是屎山,甚至在一定條件下比C3的效果更差。

因此大多數植物的選擇是直接不改變原有的光合系統。

還有,基因和環境共同決定生物性狀,光合系統的屎山邏輯同時也說明其對應的基因也是屎山。