细胞起源的草图――关于人和宇宙的设想（5）
2017年5月15日星期一1，问题的提出
谈到细胞起源首先面对一个问题：线形分子生命是自己建造出细胞，还是作为“遗传物质”进入现成的没有遗传物质在内的细胞？
我们不妨假定线形分子生命作为“遗传物质”进入细胞产生了第一个细胞生命，然后进行第一次细胞分裂。在细胞内，父代线形分子生命经繁殖变为两个子代，子代已在细胞中，接下去细胞一分为二，这个过程必须配合子代在细胞内的活动过程，所以不可能完全由原来的细胞独立进行分裂，也就是说需要子代分子生命的参与，才能从一个细胞“房子”逐步把子代隔开，建成为两个细胞“房子”。而子代父代的线形分子生命结构相同，这就反证了，就是第一次进入细胞的那个线形分子生命也不可能一点没有建造细胞的功能。因此，本文设定：细胞是线形分子生命自己建造出来的。
造房子一般先要有一张草图，画出或至少虚拟一个房子的框架，然后准备材料、机械、电源之类交施工者开工建造。细胞起源就是建造第一个细胞房子，施工者是线形分子生命本身。它如何施工？框架搭在哪里？如何建造外壳？材料、机械、电源到底是哪些东西？特别地，这时线形分子生命的小分子与起源时的小分子有哪些变化？是否已经是DNA？等等，它们是解决细胞起源问题的关键所在，不是我们能够回答的问题。我们这里感兴趣的仅仅是，有没有办法想象一下细胞草图的样子？
房子的用途是提供给我们一个安全活动的场所，这也是基本的几何生存空间。房子当然不是造得越大越好，如果有一个我们恰好可以自由活动的空间，沿着这个空间周围建造边界自然是最简单最经济的事。这样的空间应该是一种最小活动空间，实际建筑时我们可以计算出来。但是线形分子生命必须通过生物学活动过程去实现。
作者在此要做一个说明。我们很多想法实际上是“倒回过去看” 问题的结果。比如我们知道基本的生物分子存在圆柱螺线线形结构，“倒回过去看”就是试图从圆柱螺线的几何性质“倒回过去”推想它们产生的原因，特别的一点是，如何开始的原因也就是起源的原因。但是这样做忽略了物理的化学的细节，实际上我们也不知道这些细节，没有细节就没有生物学，所以不可能用来解决具体的生物学问题。我们的希望是，在简单化的情况下也许能看到一些另外的东西。例如在序列文(4)“生命起源与进化的几何图景”中，我们看到，生命起源问题虽然困难，但是“倒回过去”推断，并非神秘到永不可解的地步。正如序列文(2) “世界可知的意义”所归述，假如人类是智慧生命的话(很多人的表现已令此言有疑问)，这个世界应该是可知的，包括生命起源细胞起源在内。在这些系列文中，主要是讨论智慧生命在宇宙中的可能作用，从而引出这些曾经思考过的东西，记之供有兴趣者参考而已。
2，分子生物与生物分子
我们从现在到过去追溯生命的组织，组织越来越简单，追到线形分子就为止了，再追下去便是离散的单元分子。线形分子能延伸，也能在侧向形成新的线形分子，这些过程同“生长与繁殖”相像，并在此过程中形成一个封闭的集合。由此我们设定生命起源于线形分子世界。在序列文(3)“宇宙中第一个生命的形态”中，我们推导出第一个生命是圆柱螺线形态的线形分子，再简述一下：
线形分子生命可以设想是在一个虚拟的无限长的圆柱面管状区域G内起源的，管内沿圆柱面中心线J存在形成生命所需要的条件如物资能量等等，于是在J附近产生第一个线形分子生命，理论上形成一条无限长的分子生命线形，我们记之为L。
我们注意到，由L相对J做平移及旋转运动或两者的组合，形成与L有相同的相对于J的空间位置。在这些空间位置上，也同样可以产生生命，其中特別地包括与L能相互繁殖或者说是可以相互复制的线形L＇，L＇可以与L同时产生，L＇同样也有资格作为第一个线形分子生命。
如果可以相互复制的线形多于两个，由于存在第三者影响，所有线形不可能保持一致的形态，失去繁殖的意义， 所以不可能存在。至于其它更为复杂的复制，即使出现过也被淘汰了。
生命一诞生就有适应性问题。第一个生命的出现正是与外界物理化学环境互动的结果，所以适应物理化学环境没有问题。对外界生物环境的适应，初始生命群体作为唯一的生命群体，适应性就是自适性。其中之一非常简单，就是线形分子生命在几何形态上必须有协调性，不可互相影响生存。这就归结为一个数学问题，从而推导出L是圆柱螺线形态的线形分子。
前面说过，生命起源需要小分子等物质基础，基础不同产生不同的生命路线，但是任何一条路线上的生命都必须起源于上述合二为一的过程：两条能够生长并可以相互复制的圆柱螺线线形分子组成一个整体，即由相位相差半个圆周的L与L＇组成的线形对LL＇组成一个稳定的生命体。
线形对里面的圆柱螺线形态也可能在线形延伸或衍生后不再保持下去，那么发生在这条路线上的生命就又变成非生命了。最后只有一条路线上的圆柱螺线线形分子生命发展出细胞生命，从生命非生命界限模糊的线形分子海洋进入到生命非生命对比分明的细胞世界。
L或L＇线形纵向上分子间的结合力大于两条线形侧向形成衍生的结合力，所以在自由碰撞运动中，LL＇分离为L与L＇的可能性大于L或L＇线形断开的可能性，几何上也可以看出，圆柱螺线的形态的L与L＇只要线形伸展趋于平直，或部分或整条很容易分离。分离后通过繁殖产生新的线形，开始了一代又一代的一分为二过程来扩大生命群体。在线形分子生命初始的短段时期主要靠此种随机方式分离繁殖，效率很低，然后到长段时期渐渐发展出由LL＇引导的生物学过程从随机分离繁殖演变为自行分离繁殖。
分离后的L或L＇只能作为生命体的构成部分存在，相当于一种生物分子，是不稳定的，如果不能很快复制并组成稳定的整体生命则有可能被解体。我们在讨论时方便地统称L或L＇为生命，实际上可以把它们看作是生命与非生命也就是分子生物与生物分子的交点之物。显然，迅速复制可以减少解体的可能性，从而增加生命群体的数量。LL＇分离后，越迅速复制越好，立即复制即边分离边复制是最安全的途径。半复制就是一种立即复制。我们不妨假定，在细胞出现前，线形分子生命已经发展出半复制之类的立即繁殖方式。
3，细胞起源的草图
在线形分子生命初期， LL＇分离及复制的繁殖过程主要靠随机碰撞进行，这时LL＇没有利用环境的能力，完全处于被动状态，不存在所谓的小环境。随着LL＇群体的进化，LL＇线形变长，通过小分子序列引发的物理化学活动也可以说是生物学活动过程开始利用环境中事物为繁殖服务。因为是LL＇主导的，即使LL＇的位置移动或受到干扰也能重新展开活动，所以这些邻近LL＇的活动看上去可以跟随LL＇一起运动，这个活动的空间就形成LL＇的一个小环境。有一点要注意，一般来说环境的空间是固定不动的，但是小环境是指LL＇主导的活动内容所需要的空间大小，是可以被LL＇携带的，活动内容也不是刚性的可以伸缩，所以也没有确定的边界。因为活动都贴近LL＇进行，小环境体积实际很小，我们任取一个包含线形LL＇的球，球的空间都会大于小环境需要的体积，也就是说小环境的活动内容都能塞进球内，其中包括最小的包含LL＇的球，下面将看到这个球的生物学意义。
小环境对于LL＇的主要功用是为繁殖准备好条件，包括物资、能量等等。LL＇与小环境中事物的互动对于LL＇来说也是一种外界作用，线形分子生命的圆柱螺线形态在外界作用下会变形，小分子位置随之移动，但是小分子间的连接关系不会变化。 因为所有活动都是LL＇主导的，小环境中产生的外界作用应该不会大到影响LL＇的复制，如果作用减弱或在一个活动间歇期内，所有线形又恢复直线走向的圆柱螺线形态。因此，在小环境中LL＇的空间走向不一定沿着直线。
LL＇有了小环境后就开始了细胞起源的过程，这个过程自然一直伴随着LL＇的进化。小环境虽然可携带但很容易受外界干扰，例如LL＇被碰撞到新的地方就要重新工作。现在，我们设想：在一个“水池”中，LL＇的小分子序列偶然引发一个过程，在小环境外围生成一个小悬浮物，因为只有一个点，阻挡外界干扰的作用极小，可以忽略不计，但对LL＇的群体来说，多个个体都有一个悬浮物边界，或许会有一些微效应，至少对群体的生存无害，这样，这个产生悬浮物的过程就可能继承下去不会消失。可以生成第一个就可能生成第二个，第三个等等，悬浮物的作用仍然感觉不到，但是，如此不断继续下去，比如到数十个数百个时开始感觉到一些效应了，可以阻挡一些外界干扰， LL＇的繁殖效率提高，群体数量增加。从此开始一个正反馈过程，更多的繁殖生成更多悬浮物，更多悬浮物又使繁殖得更有效率 ，这些悬浮物的化学特性使之相互聚合形成面状物，直到悬浮物连成一个闭曲面网络把小环境包含在内，我们把这个悬浮物边界记为S 。
在一个能产生LL＇的大环境中，当然也能产生LL＇群体中其它成员个体。我们不妨假定它们都出现在这个“水池”中，群体的个体在“水池”中相互接触与碰撞，不可避免地引起悬浮物边界的变形。
LL＇群体要发展成细胞生命，必须适应外界环境。走到这一步正是与外界物理化学环境互动的结果，物理化学环境方面自然没有不适应的问题。剩下是对外界生物环境的适应，这本是一个复杂的问题，然而对于第一代细胞生命，这个问题变得简单，就是LL＇的群体必须满足自适性，所有个体的生存不可损害到其它个体的生存，特别地，所有个体在占有或扩大几何生存空间时，不可损害其它个体的几何生存空间。
悬浮物边界S所围区域，现在对于LL＇有了进一步的意义。在原来没有悬浮物的情况下，当LL＇在“水池” 中自由运动，移到一个新位置时虽然可以重建小环境，但是旧位置的小环境内容可能消解在外界环境中。现在有了悬浮物边界，情况发生改变，因为有边界的隔离，LL＇旧位置的小环境内容将保留在S内，边界结构及性能越好保留得越多，S内区域实际上替代了原来的小环境，成为LL＇安全可靠的并且可以发展新的生物学功能的生存空间。
我们来观察“水池”中的情形。一方面，从个体LL＇出发，它在S内的自由运动及其引发的活动内容可以推动展开悬浮物，从而扩张S的边界，扩大它的几何生存空间。另一方面，外界与LL＇接触的其它个体也在做同样的运动以扩张边界，对于LL＇，这就是沿所有空间方向来压缩LL＇的几何生存空间，这是个体与群体的抗衡，所以对LL＇来说，压缩大于扩张。
上述自适性互动的结果，第一，由于所有运动都没有空间方向的特异性，LL＇的悬浮物边界随时动态平衡于一个球面，这个变化中的曲面，我们记之为S＇。第二，LL＇在S＇内运动的同时S＇自己也在收缩，S＇与LL＇都在变化之中。不断缩小的S＇最后会与LL＇相交，但是这个状态不一定是可以停止互动的稳定点，因为S＇与LL＇有不同的相交可能，每个相交状态都形成一个球面，所有球面形成一个球面集合，直到S＇与LL＇相交于球面集合中的最小球面s时，取得动态平衡的稳定点，因为S＇再收缩下去就不再包含LL＇，这种情况下LL＇将失去生存空间了。
LL＇是群体的一个代表，因此，所有个体 的悬浮物边界同样都为s。如果LL＇小分子序列产生的过程将悬浮物生成于s的位置，显然是最有利于LL＇群体生存的过程，因为它满足最基本的自适性。这个过程将继承下去并在群体中普遍化，直到LL＇小分子序列具有功能产生细胞膜为s的细胞，至此，细胞生命正式诞生。
已知s是包含LL＇的最小球面，我们来求s与LL＇的关系。我们做一个包含LL＇的球s＇：设a、b是LL＇两条线形上所有点中相距最远的两点(a、b的距离也称为LL＇的直径)，我们以a、b的连线为直径作球s＇。显然，s＇包含LL＇在内。假定有比s＇更小的球s〃包含LL＇，则s〃的直径必定小于s＇的直径，于是s〃无法完全包含a、b的连线，因此也不可能包含LL＇，这就反证了s＇就是包含LL＇的最小球。因此，s就是以LL＇两条线形上点集中相距最远的两点连线为直径做成的球。s实际上就是前面提到过的最小活动空间。
可以看到，s尺度与LL＇的形态有关，当它取直线走向时s达到最大。LL＇虽然在细胞里不一定是直线走向，但是只要有直线走向的时候，就决定了LL＇应该得到最大的s，这意味着LL＇拥有的是最大的最小活动空间。用这样的草图造房子，相当于是用最经济的办法造出最大的房子。
细胞一旦起源，因为LL＇小分子序列都有功能产生细胞膜为s的细胞，当LL＇分离并立即复制，从一个LL＇变为两个LL＇后，正如在细胞起源过程中自适性所展示的图景那样，这两个LL＇都自动并互相协调地产生自己的细胞，细胞分裂现象就自然而然地出现了。
我们设想的草图是否有生物学根据可以质疑可以讨论。但至少表明，如同生命起源一样，细胞起源也是可以想象，可以思考，最终是可知的。(2017年5月6日)