重返生命源头

新线索暗示了第一个活的有机体怎样起源于无机质。

撰文 阿隆索·里卡多（Alonso Ricardo）
杰克·W·绍斯塔克（Jack W. Szostak）
翻译 黄冰
审校 金由辛

地球生命的起源

● 研究者已经找到一种途径，早期地球上存在的化学物质可能通过此途径形成遗传分子RNA。
● 其他实验支持这种假说，认为含有类RNA分子的原始细胞能够自发组装、复制和进化，产生所有生命。
● 目前，科学家正打算在实验室创造出能完全自我复制的人造生物体，这样才能了解生命是如何诞生的。

每一个活细胞，哪怕是最简单的细菌，内部都充斥着设计巧妙的分子装置，这让纳米技术学家羡慕不已。随着这些机器不停地在细胞内震动、旋转或蠕动，它们剪切、粘贴和拷贝遗传分子，运输营养物质或将它们转变成能量，构建和修补细胞膜，传达机械信息、化学信息或电信息——这种过程不断持续。对这种过程的研究还不断有新发现。

我们实在无法想象，37亿年前，生命从无生命物质中诞生时，这些细胞机器［主要是由蛋白组成的被称为酶（enzyme）的催化剂］是如何自发形成的。不可否认，在合适的条件下，一些更为简单的化学物质容易形成某些蛋白质的基石，即氨基酸。美国芝加哥大学的斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）和哈罗德·C·尤里（Harold C. Urey）在20世纪50年代的开创性实验中已经证明了这一点。但是从氨基酸到蛋白质和酶则是另一回事。

细胞合成蛋白质的过程十分复杂：酶先要解开DNA双螺旋的双链，提取出基因所含的信息（这是蛋白合成的蓝图），翻译成最终产物。如此一来，解释生命的起源问题必然伴随着一个悖论：似乎是蛋白质，以及现在存储于DNA里的信息，在制造蛋白质。

另一方面，如果第一个生物体根本不需要蛋白质的话，这种矛盾就不再存在。最近的一些试验表明，类似于DNA或类似于其近亲RNA的遗传分子有可能自发形成。因为这些分子可以卷曲成不同形状，起到原始催化剂的作用，它们或许不需要蛋白质参与，就有能力自我拷贝，也就是繁殖。由脂肪酸组成的、已知可以自发形成的简单膜，包裹着水和这种自我复制的遗传分子——这可能就是生命的最初形式。这些遗传物质可以编码那些世代相传的性状，正如DNA在所有现存生物中所做的那样。拷贝过程中随机出现的偶然突变可以促进进化，也可以使这些“早期细胞”适应环境，彼此间相互竞争，从而最终进化成我们所知的生命形式。

第一个生物体的真实性质和生命起源的确切环境，可能永远都不可考证。但研究至少可以帮助我们了解有哪些可能性。最终的挑战就是，构建一个能够复制和进化的人造生物体。重新创造生命无疑有助于我们了解生命如何起始，评估它存在于其他星球的可能性，从而最终了解生命到底是什么。

如何开始

围绕生命起源，一个最困难也最有趣的谜题就是，存在于早期地球上的更简单分子如何形成这些遗传物质。从现代细胞中RNA的功能来看，RNA的出现似乎早于DNA。现代细胞合成蛋白质时，它们先把基因从DNA转录成RNA，然后以RNA为蓝图合成蛋白质。一开始，最后一步可能独立存在。后来，由于DNA化学稳定性极高，因而成为更加固定的信息存储载体。

研究者还有另一条理由认为RNA早于DNA出现。由RNA构成的酶被称为核酶（ribozyme），它在现代细胞中也发挥着关键作用。核糖体由RNA和蛋白质构成，功能是将RNA翻译成蛋白质。其中，催化蛋白质合成的主角正是RNA。因此，我们每一个细胞的核糖体都携带着来自原始RNA世界的“化石”证据——核酶。
目前许多研究的重点都是寻找RNA的起源。DNA和RNA这两种遗传分子都是多聚体（由更小的分子成串组成），基本组成单位是核苷酸。核苷酸有三种组分：糖、磷酸和碱基。碱基共有4种，它们就是核酸用于编码遗传信息的“字母”。在DNA中，这些“字母”是A、G、C和T，分别代表腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，而在RNA中，除了“字母”U（尿嘧啶）取代了T（见右图），其余“字母”都相同。碱基为富氮化合物，它们按照简单的原则而相互结合：如A与U（或T）配对，G与C配对。这样的配对构成了螺旋状DNA “梯子”（即双螺旋）的台阶，而且它们之间的特异性配对，对于如实复制遗传信息非常关键，因为只有这样细胞才能复制。与此同时，磷酸根和糖分子组成DNA或RNA链的“骨架”。

经过一系列步骤，氰化物、乙炔和水可以自我组装成碱基——这些简单分子存在于地球早期的原始物质中。简单的起始物质也易于聚集成糖。100多年前，研究者就已经知道，在碱性溶液中加热甲醛就可以得到多种糖分子混合物，而在早期行星上，是可以找到甲醛的。问题是如何得到合适的糖（如RNA的核糖）来制造核苷酸。两种发生在简单的二碳糖和三碳糖间的分子间反应，可以形成核糖及其他三种与核糖关系相近的糖分子。核糖这种形成方式并不能告诉我们，它为何能广泛存在于早期地球上，因为科学家已经证明核糖不稳定，即使在浓度很低的碱溶液中也会快速降解。过去，核糖的不稳定特性让很多研究者认为，第一个遗传分子可能不含核糖。但是本文作者里卡多和其他研究者发现了能使核糖稳定的方法。

核苷酸的磷酸根是另一个谜团。磷酸基团中的主要成分磷广泛存在于地壳中，但大部分存在于不易溶于水的矿物质中，而生命是从水中起源的。那么，磷酸根如何进入导致生命诞生的“原始汤”？科学家还不清楚。火山口处的高温可以将含磷酸盐的矿物转变成可溶性磷酸盐，但至少在现代火山中，释放出的磷数量很少。磷化合物的另一个潜在来源是磷铁镍陨石，在特定陨石上可以找到这种矿物质。

2005年，美国亚利桑那大学的马修·帕塞克（Matthew Pasek）和丹蒂·劳蕾塔（Dante Lauretta）发现，磷铁镍陨石（schreibersite）在水中的部分受到腐蚀后会释放出磷。这种途径看起来很有可能，因为陨石释放出来的磷比磷酸盐更易溶于水，也更易与有机化合物发生反应。

怎样组装

我们已知道至少一种可能得到碱基、糖和磷酸根的途径后，下一步就是将这三者合理地组装起来。但在过去几十年，这一步正是阻挡科学家前进的最大障碍。简单地将这三种成分混合于水中，它们并不会自发形成核苷酸——主要是因为每个连接反应都会涉及水分子的释放，而这种反应在水溶液中很难自发进行。要形成所需的化学键，就必须有能量供给，如在反应体系中加入富含能量的化合物。早期地球可能存在许多这样的化合物，然而在实验室中，这些分子只能启动低效的化学反应，在大多数情况下甚至完全不能启动反应。

今年春天，生命起源研究领域传出了令人振奋的消息。英国曼彻斯特大学的约翰·萨瑟兰（John Sutherland）和同事宣布，他们找到了一个似乎更可信的核苷酸形成途径，还回避了核糖不稳定的问题。萨瑟兰放弃了传统做法，不用碱基、糖和磷酸盐来制造核苷酸。他们的方法同样依赖于以前使用过的简单起始物质，如氰化物，乙炔和甲醛的衍生物。但与首先分别形成碱基和核糖，再将两者连接的做法相反，课题组将起始物质与磷酸盐混合。复杂的反应网络产生了一种名为2-氨基恶唑（2-aminooxazole）的小分子，可以把它看作糖分子的一个片段与碱基的一部分连在一起（见左图）的产物。在此途径的几个步骤中，磷酸盐起重要的催化作用。

2-氨基恶唑很稳定，它有一个重要特点：极易挥发。早期地球上，可能少量的2-氨基恶唑与其他化学物质一起形成在一个水池里，一旦水蒸发，2-氨基恶唑也随之挥发，在别处凝结为更纯净的2-氨基恶唑，成为一个原料库，为以后的化学反应做好准备：形成完整的糖和碱基，并连接在一起。
萨瑟兰的方法还有一个好处是，某些前期反应的副产品有利于后期反应的进行。不过，这种方法除了产生“正确”的核苷酸外，还会生成“不正确”的核苷酸：某些情况下，糖和碱基不能正确连接。令人惊讶的是，在紫外光下——强烈的太阳紫外光照射在早期地表浅层水域——会破坏“不正确”的核苷酸，留下“正确的”核苷酸。最终结果是一条异常清晰的C和U的组装路线图。当然，我们还需要得到G和A的组装路线图，因此挑战仍然存在。但在解释RNA如何在早期地球形成的问题上，萨瑟兰小组的工作迈出了一大步。

（来源:《环球科学》2009年10期 )