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生物的基因有没有可能是「祖传屎山」?

2020-10-21科学

光合作用中有一个关键的酶叫RUBP羧化酶,他的作用是让CO2与1,5-二磷酸核酮糖(C5)加成,生成不稳定的6碳中间产物,最后再分解成3-磷酸甘油酸(C3)。然而,这个酶可能是出现在大氧化时期前的缘故吧,有一天生的bug,就是在氧气浓度高的时候,会催化C5与氧气的氧化还原反应,生成有毒物质乙醇酸(C2),然后再经过线粒体的处理重新转变为CO2,再重新与RUBP(C5)结合,整个过程不仅没有产出能量反而还消耗了好多能量。

C3植物,直接躺平,上古代码咋都不改。

// TODO: 改变羧化酶的植物,目前没有,改变意味着光合作用的崩溃,植物个体死亡。

但是,植物界还是有英明的植物/*再拉一坨屎山*/优化光合作用过程的。

C4植物,我再加个机器,先预处理一下CO2,在叶肉细胞中CO2与磷酸烯醇式丙酮酸结合生成草酰乙酸在还原成苹果酸以收集CO2,然后运到维管束鞘细胞分解苹果酸获得CO2,直接进入卡尔文循环,剩下的部分回到叶肉细胞再生成磷酸烯醇式丙酮酸继续循环(有没有感觉像屎山代码里的 }}}}}}}}})。然而这套系统折腾下来剧耗能量,所以这也是非热带地区很少见C4植物和玉米为什么要夏天在种的原因。

CAM植物(景天科酸循环),面向C端(荒漠),环境多变恶劣,用不起多个机子,于是乎直接多线程,一个细胞干了C4两个细胞的事,只不过白天消耗储存的CO2,黑夜储存CO2,有股并发的味了。为了储存CO2,它们进化了富含大量液体的液泡,让整个植物看起来肉乎乎的,于是有了多肉植物一说。然而这互斥锁写的有点乱,进程乱了 (高温会影响CAM植物的代谢)直接关机重启(夏眠),然后一浇水就烂根。

2022.8.3

然而,IT界有句话:程序能跑就不要改它。生物也将其贯彻到底,低级的海绵就是个例子。

同理,为什么相对低效C3植物不会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会产生大量的NADPH,这样就会出现一个问题,当叶绿体消耗NADPH远小于NADPH的产生速度时,NADPH会趋向于与O2结合,产生出毒性很强的超氧化物,虽然叶绿体中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶,在一定程度缓解危害,但也架不住由自由基攻击叶绿体DNA,导致叶绿体关键酶(像RUBP的大亚基)的合成受到干扰,甚至导致叶绿体被细胞分解回收。第二件事是叶绿体中的ATP有一个量,而且叶绿体与外界交换ATP和 ADP/Pi的效率很低,叶绿体以半自主复制的形式消耗ATP更是少见,所以当因光作用产生高浓度氧环境的情况下,往往也是ATP饱和的时候。综上所述:植物利用光呼吸提高CO2浓度,用卡尔文循环消耗ATP和NADPH,实现了过载保护。

但客观上讲,光合作用产生过量ATP/ NADPH实际上就是因为能量转化效率的低下,从而让无法转换的能量破坏光合系统。有人说是光呼吸保护了光合系统。对,这一点没错,但同时也是它是屎山的的一个要点,如果使RUBP酶变化,不容易与O2结合,是在一定程度上提高了CO2的转化率,但要冒着叶绿体被破坏的风险。就像你想处理屎山代码,在不细致了解的情况下乱改,最后屎山塌了,项目崩了,放在生物里就是灭绝了。如果你还是坚持要改变RUBP酶,那还要考虑干旱胁迫下,植物在气孔闭合时,如何保证CO2和水的稳定供应,正如评论中的伊眼拢鼻所说:生物的代码之屎,最简单的体现就是人类试图用cre语句调用某一个程序时,总有莫名其妙的野鸡程序也跟着响应。

C4和CAM植物的经典之处就是封装然后再模块化,把CO2的收集封装成一个模块,再把CO2的固定(卡尔文循环)封装另成一个模块,放在两个细胞或者两个时间段运行,但第一个模块相当耗能,这无异于把屎山分成一块一块的,再在里面精明的拉一泡,最后还是屎山,甚至在一定条件下比C3的效果更差。

因此大多数植物的选择是直接不改变原有的光合系统。

还有,基因和环境共同决定生物性状,光合系统的屎山逻辑同时也说明其对应的基因也是屎山。