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)格的配對方式同時存在的。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)，實驗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。

這項研究由英國劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究理事會的分子生物學(xué)實驗室的John Sutherland團(tuán)隊完成，成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。這一研究再一次動搖了所謂的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；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’，但這項研究表明，RNA和DNA是分子水平的‘同胞’?！?/p>

然而，其他沒有參與這項研究的科學(xué)家質(zhì)疑此項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。混合物需要徹底干燥并暴露在紫外線下——干旱的陸地很容易滿足這兩個條件，但是在40億年前及更早些時候，被海洋覆蓋的地球是稀缺這兩個條件的?！霸缙诘厍蚩隙ù嬖谶@些條件，”Westall說，“（但是）它們不會那么常見，因為當(dāng)時沒有那么多裸露的陸地?！北M管她補充說，這項研究是“聰明的”而且“不是完全不可能的”，但她總結(jié)道，“對于生命的出現(xiàn)地點及生命起源前的分子的出現(xiàn)地點，還有其他更好的假設(shè)?！?/p>

對于合理性的爭論始于20世紀(jì)50年代早期，當(dāng)時美國研究者Stanley Miller和Harold Urey做了一個里程碑式的實驗。此后至今，這些爭論使得以化學(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，以此模擬閃電對早期地球大氣和海洋的影響。盡管他們的實驗產(chǎn)生了對生物化學(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論實驗條件的合理性。然而，Miller和Urey的工作說明，合成重要基礎(chǔ)物質(zhì)是相對簡單的，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，對于一個“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：僅僅差一個氧原子和一個氫原子。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)方法移除這兩個原子的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡單地擦除筆記本上代表原子的字母。

另一個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富存的兩種氣體：硫化氫和氰化氫。當(dāng)這些簡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?，F(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)研究理事會分子生物學(xué)實驗室的團(tuán)隊成員），研究取得了更大的進(jìn)展。他們將團(tuán)隊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個第四種堿基，即較不常見的肌苷。這一添加足以構(gòu)成四個“字母”（即四種堿基）的基因字母表：一條鏈上的每個堿基將與另一條鏈上其他三種堿基中的一個單獨配對。這種堿基互補配對方式就是現(xiàn)代RNA和DNA的工作原理。但是在這個實驗中，兩種堿基來自RNA，兩種來自DNA。

這項實驗設(shè)計“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)生獨立的兩個分子RNA和DNA。”然而，Sutherland的團(tuán)隊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，因為可以證明雜交鏈真的可以形成或結(jié)合成RNA或DNA鏈，從而為這一猜測提供科學(xué)證據(jù)。

這對于Nicholas Hud來說是個關(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)時期內(nèi)，（生物）進(jìn)化會逐漸產(chǎn)生現(xiàn)在的遺傳系統(tǒng)?！叭绻粋€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間的進(jìn)化才會形成，”他說?；谙嗤睦碛?，他也對RNA世界假說持懷疑態(tài)度。

此外，Hud認(rèn)為這項研究的結(jié)論是依賴于嚴(yán)格的漸進(jìn)的實驗步驟，即每一步要遵循嚴(yán)格的實驗順序和控制條件，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)，由于沒有時間機(jī)器帶我們探索地球生命的真正起源過程，在這個樣品稀缺的研究領(lǐng)域，“合理性就是一切”。盡管如此，他還是堅定地支持他的團(tuán)隊在化學(xué)路線上探索生命起源?！昂芏酄幾h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。但我認(rèn)為這項研究已經(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)