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生命起源:DNA和蛋白质,which first?

来源:kepubolan    发布时间:2017-05-19 07:53:27


生命究竟从哪里来?人究竟
从哪里来?

我们“少不更事”的时候,或许很多人都曾思考过这样的问题,只是后来的后来,我们或理所当然地丢给哲学家们去思考,或满不在乎地任神学家手握答案。只有一代又一代的科学家,一直在不断探索着。


探究生命起源这一基本科学难题对于我们人类来说意义重大,因为只有真正了解过去才能更好地明白未来,毕竟,圣经的创造论和漫无目的的物理世界,赋予生命的意义有很大不同。


一、化学进化论与米勒实验

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化学进化论:从“无”到“有” 

在生命起源问题上,化学进化论目前为多数人所接受,它类似于达尔文进化论中的思想:生命是从简单到复杂的进化过程。

该学说认为,在原始地球的条件下,无机物可以转变为有机物,有机物可以发展为生物大分子和多分子体系,直到最后出现最原始的生命体机——一个最简单、最原始的细胞,即“原细胞(protocell)”。

这个学说起初也称为“原始汤”(primodial soup)生命起源假说,由奥巴林和霍尔丹提出,他们认为地球上的生命是由非生命物质经过长期演化而来的。

▲原始地球的天空

试图为化学进化论提供理论依据的是米勒

1952年,美国芝加哥大学研究生S.L.米勒在其导师H.C.尤里指导下,进行了模拟原始大气条件(如雷鸣闪电)的实验,由无机物混合物(CH4、HO2、H2和少量NH3)得到了20种有机化合物,其中11种氨基酸中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的,而当时人们认为蛋白质是生命的本质。

▲米勒实验示意图

米勒的实验(Miller’s simulated experiment)在当时很有创新性,它不仅启发人们沿着化学进化这一方向进行更深入的研究,也启发人们去探索生物分子的非生物合成。

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米勒实验:起源之谜远非如此

虽然米勒实验得到了结论:由无机物合成小分子有机物是完全有可能的。但这还仅仅是触及化学进化,远不能完整揭示生命的奥秘。

首先,米勒模拟的大气状况很难证实是完全符合真实情况的,例如无机小分子的种类、比例是否一致等,据说米勒自己也曾经指出:“这些见解只是推测,因为我们根本不知道地球当初形成时,大气是否处于还原状态。……目前还没有直接的证据证实这一点”①。

其次,纵然米勒实验的模拟是成功的,但无机小分子生成生物小分子的反应也仅仅只是在实验室里成功地完成了而已,米勒和尤里在发表关于该经典实验的文章时,采用的题目为《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》(A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions)②,表明他们的研究只是一种可能的比较合理的猜测,只是为历史上的真实过程提供了一种可能性。在化学进化中,有人提出了另一种可能方式:新泛种论” (neopanspermia),即在地球早期演化过程中,星际有机分子可能进入地球成为前生命化学进化的基本原料。

再者,就算米勒解决了生物分子形成的问题,但他距离生命起源的真正答案仍然很遥远,因为随着科学研究的进展,核酸又“搅进了这个局”——19世纪末期,人们已经证明了DNA(少数为RNA)才是遗传物质,由氨基酸构成的蛋白质是在其指导下合成的。

二、生物大分子的起源

我们先假设化学进化学说是对的,那么由无机物得到简单的有机物小分子,后者将进一步构成有生物功能的大分子,而这些生物大分子又是以什么顺序出现?

如同众所周知的鸡与蛋的先后之争,生命机体形成过程中,DNA和蛋白质出现的先后问题也困扰着许多研究学者。

经典的遗传学中心法则认为,DNA通过转录形成mRNA(即信使RNA),mRNA指导蛋白质的合成,即通过“翻译”把碱基序列转变为氨基酸序列。在生物体内,没有蛋白质作为酶的催化作用就不能合成DNA,而没有DNA作为遗传信息的指导,氨基酸也不能组合成有特定功能的蛋白质分子

▲DNA和蛋白质出现顺序,如同鸡和蛋的先后之争

除了经典遗传学,学术界还有另外一个观点: 先形成的不是DNA也不是蛋白质,而是RNA(“RNA世界”假说,由诺贝尔奖得主Walter Gilbert于1986年提出)③。

罗德·怀特在1976年观察到许多酶的必需辅因子是核苷酸或核苷酸衍生物,他提出这些核苷酸辅因子代表了“核酸酶的化石”("fossils of nucleicacid enzymes")④。

随着RNA作为某些病毒遗传物质载体现象的发现,以及对RNA分子的结构和功能的研究,科学家发现RNA既有DNA的自我复制能力,又具有蛋白质的催化性质,从而推测RNA可能是三者中最古老的分子,起初同时承当了DNA和蛋白质的功能,后来渐渐出现形态功能的分化,衍生出后两者。

三、一个难题

化学进化学说(包括RNA世界假说)面临着一个难题:在生命起源前的环境里,自然界是如何把生物小分子(氨基酸、核苷酸)变成生物大分子(蛋白质、核酸)的。

正如《生命起源的奥秘:再评目前各家理论》指出:“我们在合成氨基酸方面的成就有目共睹,但合成蛋白质和DNA却始终失败;两者形成了强烈的对照”⑤。科学发展到今天,我们能在实验室利用机器以极大的效率合成出所需要的生物大分子,但在生命起源前环境里的合成实验却“始终失败”这或许是大自然跟人类开的一个玩笑吧,以此提醒人们面对大自然、面对时间长河应当保持谦逊的姿态。

▲氨基酸(除甘氨酸)是有手性的分子

随着手性分子(其左旋分子和右旋分子互为对映异构体)的发现,又一个谜团摆在我们面前——生命对称性破缺,即大自然神奇地选择了L-氨基酸(左旋)构建蛋白质,而构建核酸DNA和RNA的则是D-核糖(五碳单糖)。

我们不得不承认知识的圈子越大,所碰触到的未知世界也就越大,人类在大自然面前正如牛顿所说,始终是一个“捡贝壳的孩子”。

由于没有人亲眼目睹过生命形成的过程,所以不管科学怎么进步,科学家的研究成果都只能是假说、理论,而非绝对的事实。

▲霍金和宇宙大爆炸理论

地球生命起源的问题,一如霍金提出的宇宙大爆炸理论(Big Bang theory),纵使这一理论正确,也仅意味着我们知道大爆炸发生以后的事情,大爆炸之前的情况根本难以想象,更无法得到百分之百的证明(不管有没有事物存在或什么事物存在)。

自然科学的研究是一个从大自然到实验室的过程,是一种对规律的应用,其一般规律就是,把自然规则研究清楚透彻,然后借助实验室为人类带来福利。而在化学进化理论试图解决的“起源”问题上,既然研究的是从无到有,实验室就不能借用已找到的规律,而是要生产出规律再去套用到大自然上,这一反科学研究的常道,因此是十分困难的。

这么说来,起源问题的论证,似乎成了悖论,要“证实生命起源”这个命题目前似乎是遥遥无期的。所以不妨就让我们保持敬畏大自然的谦逊心态,继续“捡贝壳”吧!

参考文献
① Journal of the American Chemical Society,1955-5-12
② Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible PrimitiveEarth Conditions. Science. 1953, 117:528. doi:10.1126/science.117.3046.528.
③ Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. February 1986, 319 (6055): 618.
④ White, HB III. Coenzymes as Fossils of an Earlier MetabolicState. J Mol Evol. 1976, 7(2): 101–104.
⑤ The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories.


作者:林丽莎(中国科学院昆明植物研究所)

来源:科学大院





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