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重返生命源头 追寻地球生命起源

时间:2009-10-29 00:00来源:环球科学 作者: 阅读:
        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。研究的最终的挑战就是,构建一个能够复制和进化的人造生物体,从而最终了解生命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。(责任编辑:泉水)
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