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谁才是地球的行星一号生命?

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只有当能繁殖或者说能自我复制的分子出现,地球上的生命才算真正开始。那么谁是生命1号?这是进化史上的一大难题,但现在,科学家对此问题已有了答案。


  40多亿年前,宇宙中悄无声息地发生了一件大事:围绕一颗中等大小恒星旋转的一颗新生行星开始冷却。这颗行星上环境恶劣,在被陨石狂轰滥炸之后,又遭受火山爆发,大气中充满了有毒气体。但与此同时,在它表面的海洋里,一件不同寻常的事情发生了——一个或者一批能自我复制的分子出现了。

  能自我复制,这意味着生命可以代代相传,这是进化史上曙光初现的黎明时刻。一旦能自我复制的生命出现,自然选择就开始发挥作用,很快,最早的单细胞生物出现了……接下去发生的事情就是现在整部史前史所述说的。

  但是这件大事直到40多亿年后才显出它的重要意义来:宇宙最终孕育出人这种智慧生命,他们足够聪明到会去思索:宇宙从哪里来?生命的本质是什么?他们最早的祖先是什么样子的?……等等这样一些深奥的问题。现在就让我们来谈论这些话题中的一个:最早的能自我复制的生命是什么?

  看来谁都不合适

  生命之所以能够代代相传,离不开遗传物质。遗传物质又有两种:双链的DNA和单链的RNA。在生物学家眼里,DNA远比RNA重要,因为生命复制的最终目的是合成蛋白,如果说DNA是这个过程的指挥者,那么RNA仅只是个协助者而已。那最早出现的能自我复制者会不会就是DNA呢?一听此话,科学家就忍不住摇起头来。DNA太复杂了,包含上百万个“零部件”,在现成的生命体内,需要动用很多蛋白质才能合成。可是在地球上最早出现生命的时刻,这些蛋白质“工具”显然并不存在,——因为这些“工具”本身依然需要在DNA指导下合成——所以,离开了它们怎能造出这么一个复杂的DNA?用科学家的话说:“大自然自己制造出一个DNA分子的概率,等同于把所有飞机零部件摊在地上,然后来一阵龙卷风让它们自动组装出一架飞机的概率。”

  既然DNA不可能,有人又提出可能是RNA:其一,RNA比DNA简单;其二,在一些最原始的生命体,比如某些病毒上,没有DNA,却有RNA。但这些理由其实也相当脆弱,譬如说,RNA固然比DNA简单,但它也是分子量达上百万的大分子,在自然条件下合成RNA,其难度也几乎相当于让一阵龙卷风组装出1/2、1/3架飞机。

  RNA占统治地位的世界

  但到了1960年代,人们对RNA的看法开始改变,科学家发现,RNA链可以像组成蛋白质的氨基酸链一样折叠成不同的形状。为什么这一点显得特别重要呢?因为在有生命的机体中,几乎所有艰巨的工作,比如每秒数以亿计的化学反应,都是由蛋白质来完成的,其中起催化作用的是一类叫酶的蛋白;而蛋白质之所以几乎无所不能,主要源于组成它的链能够在空间扭曲、折叠成无穷多的形状,每一种形状对应着一种蛋白质。RNA链能折叠成不同的形状,这意味着或许它也可以完成某些本该由蛋白质完成的事情。

  现代的RNA复制固然离不开各种蛋白质的催化,而蛋白质的合成又离不开RNA的参与,如果目光局限于这一点,我们难免又要落入类似“先有蛋还是先有鸡”这样的难题。但不妨设想:如果在生命之初,RNA一方面具有遗传物质的储存信息功能,一方面又有蛋白质酶的催化功能,“万物皆备于我”,那么它即使在没有蛋白质的帮助下,也可以实现自我复制。

  这是个非常诱人的点子,但那个时候还仅仅是一个猜测,没有人证明RNA能够像蛋白质一样具有催化的功能。直到1982年,经过几十年的寻找,能起催化作用的RNA(底下称RNA酶)总算找到了一个。自那以后,仿佛闸门被打开了,人们在有生命的机体上发现了更多的RNA酶,在实验室里也人工合成了一些。

  于是这样一个假说被正式提了出来:地球上最早的生命应该是一些能起自我催化作用的RNA分子。当然,这里的“自我催化”需要从广义上去理解,是针对不需要蛋白质的帮助这一点而言的。具体说,则因为RNA有多种折叠方式,意味着有多种RNA分子,“自我催化”可以是在甲RNA的催化下,乙RNA完成自我复制这种过程。

 人们搞清楚了细胞里“蛋白质加工厂”的内部结构,证明了在这些“工厂”里,制造蛋白的第一道工序是由一种RNA酶来完成的——如果蛋白质都是由RNA先制造出来的,那RNA毫无疑问出现在蛋白质之前了。


自我复制不是问题

  不过这个假说还有一些问题有待解决。第一个问题是,虽然我们已经知道RNA可以催化,但还并不清楚是否能够自我复制。如前所说,生命进化到今天,DNA和RNA需要在很多蛋白质的帮助下才能复制自己。如果历史上曾经有过那样一些会自我复制的RNA,恐怕也早已无迹可寻了。生物学家必须在实验室制造出一个能够自我复制的RNA来,才能证明此言不虚。

  这个过程是艰难的,但迄今已经取得不少进展。比如2001年,英国科学家合成一种RNA酶,能够连续拷贝自己的95个核苷,几乎是自身核苷总数的一半。所以,生物学家离制造出一个真正自我复制的RNA分子或许已经为期不远,我们应该对此有信心。

  但紧跟着还需要解决另一个问题:RNA在自我复制时所需的能量是从哪来的?

  现在细胞里遗传物质的活动,其能量都来自细胞的新陈代谢。而新陈代谢离不开大量蛋白酶的参与,可是一个挑刺儿的问题又来了:生命之初,没有这些蛋白酶,怎么实现新陈代谢?你说RNA酶也能催化吗,但它能催化的化学反应类型看起来非常有限,远远不能胜任一整套新陈代谢的工作。

  这个问题在本世纪初也基本得到解决。人们发现了一些能行使特殊功能的分子团,它们可以结合RNA酶一块使用。这样做有什么好处呢?打个比方,如果RNA酶是一把可换头螺丝刀,那么这些分子团就相当于那些可换头。RNA酶这把刀虽然只能拧开一种型号的螺丝,但因为可换的头很多,与它们合起来使,就可以拧开几乎任何型号的螺丝了。

  事实上,后来科学家在许多细菌上的确发现了与各种分子团联合起来使用的RNA酶。看来之前科学家低估了RNA自力更生的本领,它们能够胜任制造能量的那些化学反应。

  这样,这个假说的证据变得越来越充足了。

  最早如何合成?

  但这个假说依然面临许多挑战。我们来看科学家是怎么来对付这些挑战的。

  一个非常大而明显的问题:你说RNA能自我复制,但前提是已经存在那么一个RNA了;现在请问,最初的这个RNA又是从哪儿来的?

  要回答这个问题,我们必须先来了解RNA分子的结构。组成RNA分子的基本单位是核苷,一个核苷是由一份糖、一份碱基和一份磷酸盐组成的。在活的细胞中,无数的蛋白质酶参与了制造核苷并把它们连接成RNA分子的工作,但显然在原始地球上并不具备这些酶,那儿只有粘土。

  1996年,美国一位生物化学家证明,当把核苷置于一种火山灰和海水的混合物中,长达55个核苷的RNA分子就可以自动形成。这表明,如果在早期地球上存在大量核苷,那么RNA分子的形成就不是一个问题。

  最困难的一步是如何合成核苷。虽然模拟早期地球环境的实验证明,组成核苷的所有“部件”也能够在自然环境中产生,但要是离开了特殊的蛋白质酶的帮助,要把它们组装起来几乎是不可能的。

  这个看似无法克服的困难让许多生物学家纷纷猜测,RNA也许并不是最早的能自我复制的分子。在RNA统治世界之前,说不定还有别的“姓氏”的NA,它的分子跟RNA相类似,但组成它的“砖块”却比核苷更容易从自然界中产生。不过这些假说都无法回答一个问题:如果生命是通过这些方式产生的,但为什么现在没留下任何痕迹?因为现在的遗传物质是DNA和RNA,而不是其它“姓氏”的NA。

  与此同时,美国生化学家约翰•萨塞兰德却在顽强地解决核苷形成的难题。他意识到过去大家或许都误入了歧途,他们看到在每个核苷上,都有一份糖,一份碱基和一份磷酸盐,于是想当然认为把三者粘到一块就万事大吉,但事实上却行不通。他另辟蹊径,在没有任何蛋白酶的帮助下,通过巧妙的办法把核苷合成了出来。

  当然,整个事情还没有彻底解决。RNA有4种不同的核苷,而到目前为止,萨塞兰德仅仅制造出了2种。然而,他说离合成出其它2种也已经很接近。如果他成功了,这将证明在早期地球上,自发地产生能自我复制的RNA是完全可能的。RNA也就当之无愧是“生命1号”了。

  “生命1号”在什么地方冒出?

  这个假说其实还有许多问题留待解决。比如,最早的RNA是从地球的什么地方冒出来的?最早的生命看起来是什么样子?后来在生命的进化过程中,RNA把指挥复制的权力转让给了DNA,把催化的权力转让给了蛋白质,这一切是怎么发生的?对于这些问题,有的我们可能永远也不能确切地知道,有的则已经有了一些猜想。

  比如,关于最早的RNA可能在哪儿出现这个问题,目前就有好几种猜测。

  一种猜测是,只要有粘土和水的地方,就可以产生出RNA。有科学家实验证明,早期地球的火山灰粘土有利于产生像细胞一样有膜包围的液囊,如果组装RNA的“部件”全包围在这么一个小液囊中,不让它们零星分散,RNA产生的机会就可以大大增加。这样一个含有能自我复制的RNA分子的液囊,虽然没有现代细胞那么复杂,但能够自我分裂、复制,已经相当于一个原始的细胞了。

  还有一种大家比较熟悉的猜测,认为生命始于海底热液。那里是制造长链RNA的理想摇篮。


  最近又有人提出一个奇妙的点子,认为这一切最初或许发生在冰里。天文学家根据太阳的活动猜想,生命在地球上刚开始的时候,太阳要比今天暗30%。如果地球大气中不充满温室气体,那么那时整个星球将会冻成一个冰球。在这种情况下,根本不可能有纯液态水存在,只有高浓度的盐水在冰晶之间流动着(因为盐水的冰点比纯水低)。但寒冷不仅可以提高RNA的稳定性,对于某些RNA酶,在冰里甚至比在水中工作效率更高。

  就目前来说,我们还无法在这些猜测之间做出选择,因为迄今还没有任何有关最早RNA的化石被发现。但我们可以期望在实验室重新制造出那个已逝的“RNA世界”,以此来证明它是怎么兴起的。不远的一天,有人也许可以在一个容器中装上一些原始的化学物质,置于合适的条件下,然后看着生命从中涌现出来。

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