一條折疊起來的單鏈RNA。圖源：Wikipedia

來自英格蘭、蘇格蘭和波蘭的科學(xué)家們表示，DNA和RNA在地球出現(xiàn)生命之前可能是以嚴(yán)格的配對(duì)方式同時(shí)存在的。而DNA和RNA是現(xiàn)代構(gòu)成地球生物體的遺傳密碼的主要形式。研究團(tuán)隊(duì)使用一種氰化氫為基礎(chǔ)的化學(xué)體系模擬地球早期的環(huán)境并制造了四種堿基，即遺傳字母表中的四個(gè)分子形式的“字母”。這些堿基串起來形成基因序列，細(xì)胞通過基因序列轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)。但他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中始終存在的這四種堿基中，僅兩種出現(xiàn)在DNA中，而另外兩種出現(xiàn)在RNA中。

這項(xiàng)研究由英國劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的John Sutherland團(tuán)隊(duì)完成，成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。這一研究再一次動(dòng)搖了所謂的RNA世界假說。RNA世界假說認(rèn)為，在DNA和其他重要的生物分子出現(xiàn)之前，RNA是構(gòu)成地球生物圈的基礎(chǔ)。這一假說一直以來是生命起源研究中最重要的觀點(diǎn)之一。然而到目前為止，還沒有被足夠多的證據(jù)證明哪些化學(xué)途徑可以形成這種“純”RNA體系，從而形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)觀點(diǎn)；抑或這一體系可以在后來產(chǎn)生DNA。Sutherland說，“人們已傾向于認(rèn)為RNA是DNA之‘母’，但這項(xiàng)研究表明，RNA和DNA是分子水平的‘同胞’。”

然而，其他沒有參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家質(zhì)疑此項(xiàng)研究中以氰化氫為基礎(chǔ)的合成路線是否是合理的。位于奧爾良的法國國家科研中心的分子生物物理學(xué)中心的太空生物學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Frances Westall強(qiáng)調(diào)：形成這些堿基需要極其特殊的條件?；旌衔镄枰獜氐赘稍锊⒈┞对谧贤饩€下——干旱的陸地很容易滿足這兩個(gè)條件，但是在40億年前及更早些時(shí)候，被海洋覆蓋的地球是稀缺這兩個(gè)條件的?！霸缙诘厍蚩隙ù嬖谶@些條件，”Westall說，“（但是）它們不會(huì)那么常見，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有那么多裸露的陸地?！北M管她補(bǔ)充說，這項(xiàng)研究是“聰明的”而且“不是完全不可能的”，但她總結(jié)道，“對(duì)于生命的出現(xiàn)地點(diǎn)及生命起源前的分子的出現(xiàn)地點(diǎn)，還有其他更好的假設(shè)。”

對(duì)于合理性的爭(zhēng)論始于20世紀(jì)50年代早期，當(dāng)時(shí)美國研究者Stanley Miller和Harold Urey做了一個(gè)里程碑式的實(shí)驗(yàn)。此后至今，這些爭(zhēng)論使得以化學(xué)為基礎(chǔ)來理解地球生命起源的科學(xué)探究備受困擾。Miller和Urey在含有氫氣、水、氨氣和甲烷的燒瓶中進(jìn)行火花放電，以此模擬閃電對(duì)早期地球大氣和海洋的影響。盡管他們的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了對(duì)生物化學(xué)至關(guān)重要的有機(jī)大分子，并因此聞名，但幾十年來其他研究者一直在爭(zhēng)論實(shí)驗(yàn)條件的合理性。然而，Miller和Urey的工作說明，合成重要基礎(chǔ)物質(zhì)是相對(duì)簡(jiǎn)單的，例如（他們合成的）氨基酸。氨基酸可以連接形成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)隨后在活細(xì)胞中可以執(zhí)行無數(shù)功能。蛋白質(zhì)對(duì)生命起源的研究非常重要，它可以充當(dāng)催化劑以促進(jìn)和加速其它化學(xué)反應(yīng)，否則這些反應(yīng)會(huì)進(jìn)行得太慢或者需要太多能量而難以發(fā)生。但地球生命興起的過程中，蛋白質(zhì)并不是唯一可能的催化劑。

在最終獲得1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的工作中，分子生物學(xué)家Sidney Altman和生物化學(xué)家Thomas Cech發(fā)現(xiàn)RNA也可以起到催化劑的作用。此前，RNA長期以來被認(rèn)為只是基因信息的中間載體，被DNA所決定。RNA世界假說認(rèn)為這些分子是可以自我復(fù)制的，使得DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)之前的早期生命進(jìn)化成為可能。Sutherland說，然而這一假說“是對(duì)Altman和Cech杰出發(fā)現(xiàn)‘過分熱心’、‘過分熱情’的解讀”。

這樣解讀的部分原因可能是，對(duì)于一個(gè)“天真的”化學(xué)家來說，從RNA世界中生成DNA似乎是很容易的。為了形成我們經(jīng)?？吹降腄NA標(biāo)志性雙螺旋狀的盤旋長鏈，堿基首先連接到糖分子的“主干”上。連接和組合形成了核苷，即DNA中的脫氧核糖核苷和RNA中的核糖核苷。不像“表兄弟”DNA，RNA形成的是單螺旋鏈。這些核苷不利用食用砂糖或蔗糖，而是利用RNA中的核糖和DNA中的脫氧核糖（不同的糖分子決定了物質(zhì)的最初形態(tài)）。這兩種糖分子的差異是很小的：僅僅差一個(gè)氧原子和一個(gè)氫原子。但是這樣的差異足以使得DNA和RNA扮演不同的生物學(xué)角色。用生物化學(xué)方法移除這兩個(gè)原子的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單地擦除筆記本上代表原子的字母。

另一個(gè)RNA世界假說的不足是，在地球早期可能存在的環(huán)境中生成核糖是非常困難的，將核糖與堿基連接也是有難度的。Sutherland和他的同事因此也在尋找可能性更高的產(chǎn)生核糖和核糖核苷的方法。他們找到的最具可能性的方法之一是利用地球早期大氣中相對(duì)富存的兩種氣體：硫化氫和氰化氫。當(dāng)這些簡(jiǎn)單的化合物溶解在水中，暴露在紫外線下，并經(jīng)過循環(huán)地干燥，就會(huì)產(chǎn)生許多更為復(fù)雜的分子。其中包括氨基酸和甘油，它們可以形成脂肪的骨架，而脂肪可以形成細(xì)胞的外壁。

Sutherland去年在這一方法上又進(jìn)了一步。與美國斯克里普斯研究所（the Scripps Research Institute，位于加利福尼亞州拉荷亞）的Ramanarayanan Krishnamurthy研究團(tuán)隊(duì)合作，Sutherland和他的同事發(fā)現(xiàn)胞嘧啶核苷與尿嘧啶核苷可以轉(zhuǎn)化為脫氧核糖、核苷和脫氧腺苷。現(xiàn)在，主要通過Jianfeng Xu和Václav Chmela的努力（他們都是英國劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)成員），研究取得了更大的進(jìn)展。他們將團(tuán)隊(duì)過去研究的一些中間產(chǎn)物與鹽類化合物（例如早期地球廣泛存在的亞硝酸鈉、氯化鎂）混合，然后分別將它們置于酸和熱的環(huán)境。通過這些操作，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有兩種可能的路線可向預(yù)存的混合物中添加1個(gè)第四種堿基，即較不常見的肌苷。這一添加足以構(gòu)成四個(gè)“字母”（即四種堿基）的基因字母表：一條鏈上的每個(gè)堿基將與另一條鏈上其他三種堿基中的一個(gè)單獨(dú)配對(duì)。這種堿基互補(bǔ)配對(duì)方式就是現(xiàn)代RNA和DNA的工作原理。但是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩種堿基來自RNA，兩種來自DNA。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“表明產(chǎn)生RNA和DNA的化學(xué)方法沒有人們想象的那么不同，”Sutherland說?！叭藗儍A向于認(rèn)為RNA先于DNA出現(xiàn)，然后前者以某種方式被后者取代。對(duì)我來說，這意味著中間過程有可能有RNA-DNA雜交鏈，然后產(chǎn)生獨(dú)立的兩個(gè)分子RNA和DNA?！比欢?，Sutherland的團(tuán)隊(duì)還沒有將核苷和核糖核苷分子組裝成更長的鏈。這樣做是很重要的，因?yàn)榭梢宰C明雜交鏈真的可以形成或結(jié)合成RNA或DNA鏈，從而為這一猜測(cè)提供科學(xué)證據(jù)。

這對(duì)于Nicholas Hud來說是個(gè)關(guān)鍵的問題，他是喬治亞理工學(xué)院生命起源方面的研究者（他沒有參與這項(xiàng)研究）。他稱這一問題是水基核苷合成在有機(jī)化學(xué)方面 “出色的匯編”。但是Hud并不相信這篇論文能夠證明這些核苷是否在生物體出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在了。他自己的研究表明，氨基酸可能在RNA出現(xiàn)之前就已經(jīng)連接（形成多肽或蛋白質(zhì)），可以攜帶信息并起到催化劑的作用。Hud認(rèn)為，在后來漫長的地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，（生物）進(jìn)化會(huì)逐漸產(chǎn)生現(xiàn)在的遺傳系統(tǒng)?！叭绻粋€(gè)分子用化學(xué)方法是很難合成的，但它又有著精巧的生物功能，那么它也許需要通過很長時(shí)間的進(jìn)化才會(huì)形成，”他說。基于相同的理由，他也對(duì)RNA世界假說持懷疑態(tài)度。

此外，Hud認(rèn)為這項(xiàng)研究的結(jié)論是依賴于嚴(yán)格的漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)步驟，即每一步要遵循嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)順序和控制條件，因而有明顯的不足。Hud說，如果這些步驟的順序改變了，或者某些產(chǎn)物沒有被分離出來，Sutherland和他的同事們將會(huì)得到更少他們感興趣的物質(zhì)。這些嚴(yán)格的要求減少了在早期地球混亂的環(huán)境中發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)的可能性。

Sutherland承認(rèn)，由于沒有時(shí)間機(jī)器帶我們探索地球生命的真正起源過程，在這個(gè)樣品稀缺的研究領(lǐng)域，“合理性就是一切”。盡管如此，他還是堅(jiān)定地支持他的團(tuán)隊(duì)在化學(xué)路線上探索生命起源?！昂芏酄?zhēng)議的矛頭指向氰化氫，”Sutherland斷言?！啊@一研究能證明一切都是氰化氫產(chǎn)生的嗎？’答：不能證明這一點(diǎn)。但我認(rèn)為這項(xiàng)研究已經(jīng)足夠出色了。”

作者：Annie Sneed

翻譯：黃灝

審校：曾小歡

引進(jìn)：科學(xué)美國人

引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/the-first-gene-on-earth-may-have-been-a-hybrid/

來源：環(huán)球科學(xué)