第五章 细菌制动机制

时间: 2025-04-30 17:51:06
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下面我们来看一看贝希教授曾经提起的细菌鞭毛,构造是多么的精巧。

图/鞭毛结构图

鞭毛是生物表面像鞭子一样的细胞器,主要用于运动(也有其它一些功能),不同种类的细菌有不同数目的鞭毛。

单鞭毛的细菌有一根鞭毛(如霍乱弧菌);

丛鞭毛的细菌有多根鞭毛,长在细菌表面,协调一致地行动,将细菌推往单一的方向。

若按三域划分,鞭毛的结构各不相同。

细菌的鞭毛是螺旋状的纤维,像螺钉一样旋转;

古菌的鞭毛表面上和细菌的类似,但很多细节不同(间接证明了它们没有关系)。

细菌鞭毛由流动的质子驱动;

古菌鞭毛很可能由“三磷酸腺苷”驱动。

细菌鞭毛是许多的细丝;

古菌鞭毛则由许多长丝组成一捆。具有鞭毛的细菌,大多是弧菌、杆菌和个别球菌。

真核生物的鞭毛比较简单,像鞭子一样来回抽打,类似虎尾。

细菌鞭毛的结构和化学成分都与真核细胞的鞭毛完全不同(暗示了它们没有关系),不存在9+2的微管型式,是由2 - 5条,宽约40 - 50埃的微丝组成,其蛋白质成分是鞭毛蛋白。除螺旋体外,其他细菌的鞭毛都没有质膜包被。

鞭毛起始于细胞内侧的基体上,穿过细胞壁后成为钩状体,由此伸出丝状鞭毛。

革兰氏阴性菌鞭毛的基体上有两对环,一对为扣着细胞壁外壁层的L环和P环,一对为扣着细胞膜的S环和M环;

革兰氏阳性菌鞭毛的基体上只有S环和M环。

鞭毛的运动是由于鞭毛丝与基部环状体的收缩或鞭毛钩相对于细胞壁的转动,进而推动菌体前进,使细菌可以向营养物质前进,逃离有害物质。

鞭毛菌在液体环境下可以自由移动,速度极快。

网文《微生物——“简单”的奇迹》一文写道:

如果认为简单的微生物是从原始汤中创建出来的,并以此作为今天进化思想的基础。

那么我们首先就应该问什么是“简单”的微生物?是否有这样的东西?

“……让我们只看‘简单’细菌的一部分——它的动力机制……所谓的‘细菌鞭毛’推动细菌在微观世界游动。细菌鞭毛由大约40个不同的蛋白质组成,包括定子,转子,驱动轴,U型关节和螺旋桨。

通过21世纪的放大技术,我们现在的理解是:一个简单的细菌有一个微型的舷外马达!其中的部件利用电子显微镜将它们放大5万倍时可以看到。这些微型马达能以每分钟10万转的转速运行。尽管如此,他们可以在一瞬间停止。事实上,只需要四分之一转就能让它们停止,换档,并开始以每分钟10万转的转速在相反方向旋转,鞭毛马达是水冷式的,硬联接到感官机构,使细菌从其周围环境中作出反馈!

这种现实撞击着我的脑海!

它如何与我很熟悉的舷外马达相比较?它是按照工程师的规格来设计和制造的机械马达吗?

当然!现在需要做同样的舷外马达,其效率要提高到1千倍,其微型化的因素要包含许多零。复杂性是惊人的!

即使用21世纪的技术,我们绝不能建立这样的微型机械。”

——最原始的生命简单吗?是细菌简单?还是我们头脑简单?

理查德·道金斯(Richard Dawkins)先生是目前全世界最著名的无神论者,也是全世界最具争议的进化生物学家,1976年出版的《自私的基因》(The Selfish Gene)一书就是他的大作,他直言不讳地为达尔文及其自然选择进行辩护。

在《上帝的迷思》(The God Delusion)一书中,他也只好承认:

“细菌鞭毛驱动器是自然界一种惊人的奇迹。它是唯一已知的超出人类技术水平的例子。

这就是说,它具有一个自由转动的轴……鞭毛是一种线状的驱动器,细菌借助它在水中掘进。我说‘掘进’而非‘游动’,因为就细菌生存的状况而言,它对水这种液体的感觉全然不同于我们对它的感觉。对细菌而言,它感觉到的水有些黏或糊甚至就像沙,它须通过掘进或转动而不是游动才能在水里移动。不像那些体形较大的生命体如原生动物的所谓鞭毛,细菌的鞭毛不是像鞭子那样挥舞,或者像桨那样划行。

它有一个可真正自由转动的轴,该轴在轴承里面不停地旋转,其动力来自小小的分子驱动器。

在分子层次,该驱动器原理本质上类似于肌肉运动的原理,不同仅在于它是自由旋转而非间断性的收缩……

细菌的机制既不是一种简单的收缩肌(像鸟类的飞行肌),也不是一种往复式驱动器(像蜜蜂的飞行肌),而是一个真正的转动器:就此而言,它就像一台发电机或汪克尔发动机。”

——最原始的细菌,竟然拥有“唯一已知的超出人类技术水平”的装备,简直是匪夷所思!

就算有所谓进化,一两亿年的时间够吗?

网文《利用细菌建造纳米发动机》,详细描述了细菌“电机”和细菌“火箭”(中国公众科技网2006年4月23日讯):

“现在纳米系统的移动问题迫切需要解决,因为迄今为止尚未找到一种简单安全可控制纳米机器激活的方法。该领域最新研究表明,各种细菌移动方案完全可以用来建造人造纳米发动机。

有些研究人员向自然界求助,寻求发明新型纳米发动机,的确,某些细菌的鞭毛发动机显示出非常令人感兴趣的物理特性,这些特性能成功地用于纳米或微型机器中。但是鞭毛质子发动机结构的复杂性暂时不能用来建造传统的纳米工艺仪器。

Esherichia杆菌(大肠杆菌)是纳米工艺学家的希望,它可以成为未来纳米生物机器人的制备“基础”。为了游动,它利用特殊的生物电机旋转自己的鞭毛,当鞭毛按逆时针开始同步旋转时,鞭毛会扭绞成一束,从而形成特殊的螺旋桨。螺旋桨旋转产生迫使细菌几乎沿直线运动的力,此后鞭毛的旋转方向会变成相反方向,这时鞭毛束会散开,细菌会停下来,不是向前运动而是开始作不规则转动。

细菌电机是利用细胞质膜上质子电势差作为能源的装置,可以肯定地说,细菌电机是类似人类制造的直流电机。细菌电机工作起来非常有效率,细菌能以约25微米/秒的平均速度游动,但是有些种类细菌能以超过100微米/秒的速度游动。这意味着,在短短的1秒内细菌移动的距离超过自身长度几十至几百倍。科学家饶有兴趣地对细菌运动进行了类比,例如游泳运动员每秒能游超过自己身长10倍的距离,则在泳池中游完100米距离只需要5秒左右。

通常细菌电机的旋转速度可达到50 - 100转/秒,但是有些种类细菌的旋转速度可以超过1000转/秒。能使细菌鞭毛如此快速旋转的电机非常节省能量,它们消耗的能量不超过细菌细胞能源的1%,但是这种能量只能在基因工程学基础上合成,并且很难控制。

最近生物学家开辟了另一种激活微型或纳米机器的方法,即利用天然喷气运动。喷气发动机卓有成效地被几种细菌所利用,例如Myxobacteria细菌(黏细菌)能强有力地喷射粘液束,可以用作“纳米火箭”原型,“纳米火箭”已通过现代微型液体系统工艺研制而成。美国康涅狄格大学专门研究聚合物的安德烈·多勃雷宁教授说,“这是真正的微型火箭”。从某组“喷嘴”喷射粘液束能使细菌向前或向后运动,运动速度可达到10微米/秒。原先生物学家认为,这粘液主要是用作润滑,但是无法准确解释为什么细菌竟然因此能向前或向后运动。经过生物学家与物理学家的通力合作查明,这些细菌是通过反冲力来向前运动,即通过喷射粘液束来产生反冲力。

每个细菌大约拥有250个喷嘴,它们能合成大量粘液……”

鞭毛电机是一种性能卓越的分子旋转电机。当技术革新终于让我们得以深入到原子水平看到它,一睹其庐山真面目的时候,许多生物化学家、生物物理学家和工程师们都被深深吸引住了(研究论文很多)。

最初的生命竟然拥有三十几亿年后的高度复杂设计——如同将汽车齿轮与发动机相连,车轮便获得动能一样,细菌的转动装置与引擎相连后,鞭毛便具有了类似车轮一样的动能,使原核生物实现趋化性、趋光性、趋氧性、趋磁性等诸种运动。

鞭毛的生长,同样是按照一个令人惊讶的复杂过程进行的。

鞭毛的微小部件可以穿过鞭毛中的空心通道,从细胞胞体到达鞭毛的顶端。这个顶端被一个蛋白复合物“帽子”所覆盖,当微小部件吸附在鞭毛上时,不知什么原因蛋白复合物总会使其顺利通过。利用高倍电子显微镜观察,生物学家们确定这个“帽子”有5条朝下指向鞭毛生长区域的“腿”。当“帽子”旋转时,这些“腿””灵活地调整它们的形态,只为鞭毛留出一个小狭缝用于通行。

生物学家Robert M. Macnab在一篇相关的研究评述中写道,如果这种解释是正确的话,细菌鞭毛的装配过程“是一个比我们任何人以前所想象的都要更复杂的过程”。

目前许多科学家正在努力破解细菌的秘密。譬如2010年巴塞尔生物大学的研究人员发现:大肠杆菌,能够利用一个非常复杂的化学感应和信号转换机制来准确地控制分子马达旋转,以调整它们的游泳速度从而适应环境的变化(发表在2010年3月18日的《细胞》杂志上)。

2013年1月18日《中国科学报》报道:

2012年度世界杰出女科学家奖获得者、美国普林斯顿大学分子生物系教授邦妮·巴斯勒(Bonnie L Bassler)通过研究告诉世界,细菌也会建立‘城市’,甚至过着丰富的社交生活。

——作为微生物学专家,邦妮花了20余年聆听细菌们的“窃窃私语”,她发现细菌并不像以前研究发现的那样,只知道进食和繁殖,而是有着自己的意识,通过群居的方式建立简单社会,以释放分子的形式建立化学的交流方式。她还觉察,细菌甚至能区分其他细菌是否属于自己的同类,并对它们发起“挑战”或“聚会”申请……

“原核细菌”鞭毛已经被一些科学家们认定为宇宙间最高效的转动机器,请再一次看一下这些数据:

它可以以每分钟十万转的速度转动,力矩为1400皮牛顿纳米(皮牛顿:一万亿分之一牛顿),马力惊人,比一般的电动机快得多(一般电机的转速是每分钟几百到几千转)。

可以在不到一毫秒(千分之一秒)的时间内迅速停止,同时反转,转动方向由鞭毛开关复合物调控。

旋转的能量来自细胞膜上的质子动势,鞭毛每旋转一周要消耗1000个质子,非常节能。这些质子就好比驱动水车转动的水一样。

图/细胞鞭毛结构图(澳大利亚Brady Johnston制作)

细菌鞭毛由40多个蛋白分子组成(大约有50多个基因与其构造及功能有关),缺少任何一个部件都无法完成推进任务,必须整个组装好了才能运作。

细菌会“提前知道”自己想要什么,进而花费几十万、几百万甚至几千万年时间来“组装”出这样一个机器——这不是一个天大的笑话吗?

迈克·贝希教授据此提出了生物“不可简化、不可还原的复杂性”概念,他认为有些生物结构的各个组成部分必须同时出现并组合在一起才能产生功能,它们不可能靠进化获得。

以捕鼠夹为例,它要由底板、挂钩、弹簧、小锤、捕获片等几部分构成,各个零件只有作为一个整体的组成部分才有价值,只要有任何零件丢失,它便不再起任何作用。

构成鞭毛的蛋白质鬼斧神工般巧妙地排列成发动机的部件、方向舵以及惟有工程师才可能采用的其他种种高超设计——这样复杂巧妙的布局,通过一步步的改良进而出现的可能性实际上等于零。

自然选择学说认为,只有具备优势的生物新特征才会被遗传下去,依此假说,如果在很久以前有一个细菌由于一个偶然的机会,确实发育出了一个尾巴,并且还固定在菌体上,可是因为它不可能同时自然形成那些精密的部件,并组合在一起,发挥功用。

因此这一突变在事实上不仅毫无优势,反而有害,不仅不会被保留下来,相反还会被种群很快剔除。

当初居维叶(Georges Cuvier)坚决拒绝“进化论”就是基于类似理由:

居维叶把生物看作是一个整体,认为各个器官就象是设计好的,为统一的规则所决定。各个部分的形态和功能都统一在生物体中,每一部分的改变都会削弱整体功能的发挥,都会使生物体无法生存下去。

贝希教授的贡献是在人类刚刚进入的分子领域,用种种雄辩的实例给了进化论一次毁灭性的打击。

细胞里面的复杂程度是达尔文及同辈人所无法想象,极小的一滴培养液就能养活多达四十亿的单细胞细菌,每个细菌都充满电路,组装指令和微型分子机器,这些分子机器拥有各种精巧的部件。除此之外,更关键处:它们还是活的

面对贝希教授的挑战,进化论者们基本上是瞠目结舌、无言以对,要不就是重复那种模棱两可,想当然的陈词滥调。

我们可以看到的最近一次比较有新意的反击是由两位美国科学家发起的,他们提出:鞭毛可能是细菌祖先的一个特定基因连续复制的结果(即不是组装成,而是进化来)。

美国图森市亚利桑那大学的两位进化生物学家(Howard Ochman与Renyi Liu)在获取了41种生有鞭毛的细菌的全部基因组后,对所有微生物中与鞭毛相关的24种基因进行了研究。他们发现,在每一种细菌中,这24种基因彼此都非常类似,但是它们与基因组中的其他基因却没有相同之处。Ochman先生认为:该发现意味着这一系列基因源于这些细菌共有一个祖先,它出自一个特定基因的连续复制(也就是进化)。

“物种基因很相似”就意味着它们拥有共同的祖先,这种论证实在不能说服人。别人也可以说,“是神用同一个母版创造了细菌,所以它们的基因很相似”(正如网友所说)。

至于是哪个特定基因的连续复制结果?在此特定基因连续复制出的结果上,拿掉一个片段会导致整个功能丧失吗?两位学者并没有说。

有网友曾经质疑:

“即便是基因突变导致了鞭毛的出现,可鞭毛的正转、反转、停止是受细菌支配的,不能想怎么转就怎么转。如果没有一套信号指令传导解读程序,鞭毛如何执行细菌的意志?

什么样的基因突变还带附赠软件的?如果没有,细菌能在亿万年的岁月里拖着一根不会动(或者乱动)的鞭毛,慢慢地去进化驱动程序吗?”

器官是硬件,“必须要配合‘驱动程序’这类的软件才能工作,否则无法解读和执行来自决策中枢的信号指令。

大自然怎么可能搞出来一套完备的软硬件器官呢?”

附带说一句:能使细菌鞭毛如此快速旋转的电机所消耗的能量不超过细菌细胞能源的1%,这种能量只能在基因工程学基础上合成,并且很难控制。

摒除一切先入为主的偏见,综合多种考虑,细菌“鞭毛”这样的器官一次性出现的设想显然更加合乎情理。它的组装是在基因层面,比人类工程师更加高明。

——而进化论的最大问题,就在于在让证据说话之前,就人为的事先排除了一种可能的原因。排除了东方实证宗教早已证明了的神灵的客观存在。