李政育

生化科技學系微生物學組專題討論
題目: The Role of Biomacromolecular Crowding, Ionic Strength,
and Physicochemical Gradients in the Complexities of Life's Emergence.
作者:Jan Spitzer and Bert Poolman
文章來源:Microbiology and Molecular Biology Reviews, June 2009, p. 371-388
演講人:CHEN-YU LI 李政育 B95B02034
指導老師:KUO-KAN LIANG, PhD 梁國淦 博士
演講日期:November 17th, 2009
演講地點:The 6th classroom
摘要
生命的起源是什麼?不只是生物學家,連一般人也想問的問題。達爾文的演化論
只能描述第一個生命體出現之後,適者生存的過程。那麼,第一個生命又是怎麼
發生的?本篇的作者從古典物理化學的觀點,根據現有對於地球形成之初的描
繪,來推測生命發生的可能起因與背後的機制。
Keywords:Biomacromolecular Crowding、Ionic Strength、Physicochemical Gradients
本研究之重要性
前言
我們到底來自何方?這樣一個根本的問題想必是每個人都曾想過的。從生物學
和演化論的角度來看,這個問題就變成了:「生命的起源到底是什麼?是怎麼發
生的?」這一篇論文就是在探討我們作為人和生物,最想知道的答案。
前人作過的研究
近二十年來,由於許多技術上的突破,使得科學家得以用有機化學、生物化學、
分子生物學、行星與地球科學等方式來瞭解生命的起源是什麼。而作者們也提
出過一個模型
作者為何要作本研究
儘管前人曾經使用過各式各樣的觀點及理論模型來說明生命的起源是怎麼發
生的,然而,鮮少有人以古典物理化學的角度來看待這個問題。於是作者們想
用這樣的觀點來詮釋生命起源可能發生的機制。
本研究欲完成之項目
作者們希望用離子強度及分子間作用力的理論模型推測:在地球形成之初,如
何從簡單分子共同演化成巨分子,並且進而產生原始生命的可能原因、過程、
方式。

材料與方法
Debye-Huckel’s theory of dilute electrolytes
由於在電解質溶液(真實溶液)中,反應發生的趨勢不能單純以濃度來衡量,必須
乘上活性係數。Debye-Huckel 以庫倫定律為基礎,提出了一個用來描述稀薄電解
質溶液的理論,可以用來推算離子活性係數以及離子在電解質溶液中靜電交互作
用的範圍。
Debye’s length:
(e 為電子電量;z and z+為陰、陽離子電荷;n0 and n0+為陰、陽離子濃度;kT
為波茲曼常數乘上溫度;ε0 為真空中的介電常數;ε 為水中的介電常數)
Fermi’s guesstimation of hydration interaction
用 Fermi 的估計法可推估,若水合作用最少需要 1 個水分子,而最多 10 個水分
子即達飽和,則水合作用的範圍約跨越 3.2 個水分子的距離。以此結果配合
electrostatic screening 的效果的估計可推測 prebiotic 環境中分子擁擠的程度需達
什麼水準時會有效促成生命現象的發生。
Complex vectorial model
見圖一。
Microspace 可能是生命形成的第一步
結果與討論
Microspace 可以將許多分子包在一起,相較於在一般溶液中自由擴散的分子,增
加其碰撞產生新的反應路徑與機制的機率,同時也增加產生全新巨分子的可能
性。
Physicochemical gradient 可以作為分子演化的驅動力
尤其是溫度梯度和化學梯度及相關的自由能梯度,會影響反應發生的平衡,促進
分子的演化。
非共價鍵交互作用
分子間的非共價鍵交互作用可以穩定 microspace 中的膠體溶液,使巨分子間不
會大量聚集沉澱,而無法發生反應;同時也作為分子間互相辨認的方式,進而發
生反應。
參考文獻
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圖表
表一、可以看出在不同濃度電解質溶液中,Debye’s length 及水的介電常數隨濃
度的變化。
表二、Debye’s length 含有溫度的變數,但在一大氣壓下,溫度在水的熔點和沸
點之間,溫度的變化會被水的介電常數變化抵銷掉。所以 Debye’s length 在這個
溫度區間當中,受溫度的影響不大。

圖一、向量生化反應複合體模型。以原核細胞為模型,可以大概將細胞分成:1.
含細胞膜和細胞壁的結構區;2. 細胞質中的代謝區;3. 大量的 DNA 和蛋白質
彼此纏繞,形成緊密的複製區(核區)。細胞質中的代謝區被大量的生化巨分子分
隔成許多的電解質溶液池,生化反應產生的代謝產物可以在巨分子區和電解質區
間移動(標示為雙箭號);而帶電離子可以在電解質溶液池間移動(標示為兩個方向
的箭號),正電離子可以任意跨越巨分子區和電解質區間隔,而負電離子只有在
某些條件下可以跨越此區間。
圖二、可以看出隨著氯化鈉的濃度逐漸升高,Debye’s lenth 逐漸下降

圖三、可以看出生活在高離子強度環境下的細菌,其蛋白質的 pI 偏低。則在生
理環境下(偏中性),其 screened electrostatic repulsion 的範圍不會因為過高的離子
強度而大幅降低,而可以維持蛋白質間的獨立性,以行使正常功能。