生物分工原理:区域化
人类社会的演化,展现出一种分工越来越细致的趋势,从而专业性强、协作效率高 。
生命也是如此 。
生命的演化方向也是努力把细胞的专业化水平提高,其策略称为“区域化”:
- 从原核细胞到真核细胞:膜系统——细胞内部的区域化;
- 从单细胞到多细胞:细胞增殖分化——细胞外部的区域化 。
细胞:一个个特异化的分区
要知道,生命活动中的化学反应,可没有化学实验室中的各种极端条件(高温高压强酸强碱之类),并且表现出非常高的效率和精度,这么神奇的功能,是依靠什么实现的呢?
在细胞内,生物大分子混乱地拥挤在一起,在某些条件下,可以自发聚集起来形成一定的秩序的区域(“相分离”),并在这一区域内完成代谢 。
另一种把各种生物大分子组织在一起的结构,就是“生物膜”(磷脂双分子层),将生命划分为一个个区域,而且为这些生物大分子提供了相应的内外环境和反应条件,可以说,有细胞膜才有生命 。
生物膜结构
细胞器:精巧的微环境
真核细胞用生物膜分割包围形成了细胞器(Organelle),比如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体,还有植物细胞特有的叶绿体和液泡 。
神奇的是,不同细胞器的膜结构,也不完全相同,都被进行了特异性的改造 。比如,细胞核的核膜上就有特殊的“核孔”结构,方便生物大分子的进出 。
细胞核:最大、最重要的细胞器
更有趣的是,膜结构并非是一个静止的墙,而是始终处于流动之中 。这样可以完成一些诸如“胞吞”或“细胞自噬”等高难度动作 。
细胞的分工:分化之树
我们看到,细胞内部实现了高度的区域化分工,而细胞本身也存在分工 。比如,人体约有50万亿个细胞,大致可分为200多种类型,这么多类型是从哪来的呢?
“细胞分化”(Cell Differentiation)
虽说每个细胞都具有相同的基因组,但是只允许表达某一部分基因(“选择性阅读”),从而变成了不同种类的细胞 。
正是基于这一原理,国际上兴趣了一个大科学计划——“人类细胞图谱”(Human Cell Atlas, HCA),将采用分子表达谱来对细胞进行分类 。
“人类细胞图谱”(Human Cell Atlas, HCA)
从一颗受精卵细胞,逐渐分化成各类细胞的过程,画出来就是一棵树状图,类似于家谱图一样,被称为细胞谱系(Cell Lineage)——
干细胞(血胚细胞)的分化图谱
这一棵树上,凡是具有分化能力(“干性”)的细胞,广义上都可称为“干细胞”(“树干”之“干”) 。
细胞的分化程度越高,细胞的可塑性就越小 。不过,1996年的克隆羊表明,高度分化的细胞也具有“全能性” 。而且,2006年,将体细胞的基因表达程度进行了改写,使之成为一种类似于胚胎干细胞的多能干细胞(IPS Cell),这也引发了一个新的领域——“细胞重编程”(Cell Reprogramming) 。
现在,人们越来越认识到,细胞分化是一个动态可逆的过程 。所以说,细胞的命运不是绝对的,而是相对的 。
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