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生命起源:先有鸡还是先有蛋?

脑洞大开 爱 好奇 1756浏览 0评论 来自:知道日报

关于地球生命的起源问题有着一系列的悖论。有生命,就必须得有诸如DNA或RNA这样的有机分子来提供蓝图生产蛋白质,但如今的细胞又不能在没有蛋白质帮助的情况下自行完成DNA与RNA的复制。更加头疼的是,没有脂质,细胞也不能行使正常功能,因为脂质可以构成细胞膜,从而使包在内部的物质不会漏出来,而合成脂质又需要由蛋白质构成的酶(由基因编码)的参与,于是这就形成了一种“鸡与蛋”的悖论。

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如今,研究人员称他们或许已经解决了这个悖论。化学家报告说,一对可能在早期地球十分丰富的简单化合物,可以引发一系列简单的反应,产生三类主要的生物分子——核酸、氨基酸与脂质,这三类物质是早期生命起始必不可少的要素。虽然新研究并没有证明生命是如何开始的,但它或许可以帮助解开现代科学最大的谜团之一。

“这是一篇非常重要的论文,”2009年诺贝尔生理学或医学奖得主杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)说。他是波士顿麻省综合医院的分子生物学家与生命起源研究员,不过没有参与这项新研究,“它第一次提出了这样的猜想,即生命所需的所有重要构件,几乎都可以在某种地质环境下形成。”

长期以来,关于生物分子到底是如何出现的,科学家们都在吹捧自己的猜想,说法不一。例如,“RNA世界说”的支持者认为RNA是最先产生的,因为它不仅可以携带基因信息,也可以作为类蛋白质催化剂,加速某些化学反应。“新陈代谢说”的支持者则认为,是简单的金属催化剂,而不是高级的蛋白质催化剂,使得一系列基本有机物质得以产生,从而产生出一些其他生物分子。

RNA世界说在2009年获得了很大的支持。由英国剑桥大学约翰·萨瑟兰(John Sutherland)领导的化学家小组曾经报道他们发现了乙炔与甲醛这两种结构相对简单的前体化合物在经历一系列化学反应后可以生成RNA的四种核苷酸,这似乎暗示着RNA可以在原始海洋中自我形成,并不需要酶的参与。但反对者指出乙炔与甲醛仍然是复杂分子,这两种物质又是从哪来的?

萨瑟兰和他的同事们最近的研究正是在追根溯源,尝试找到可能合成RNA的更简单的起始物质。他们成功了,在最近一期的《自然·化学》(Nature Chemistry)期刊上,萨瑟兰的团队报告说要生成核酸前体只需要氰化氢(HCN)、硫化氢(H2S)和紫外线(UV)就够了。此外,萨瑟兰还称,能生成核酸前体的反应条件也可以生成构成天然氨基酸和脂质的基本物质。这意味着一个系列的反应可能就同时生成了生命形成所需的大部分基本构件。

萨瑟兰的团队认为早期地球的环境很适合这类反应的发生。HCN在早期大气中非常丰富,它们可以在地球历史的前几百万年以雨的形式持续地来到地面上。陨石撞击也可能为氢、碳、氮合成HCN提供了足够能量。同样,萨瑟兰说,H2S也是公认在早期地球很常见的化合物。从而,在含金属矿物的地区,氰化氢、硫化氢合成早期简单有机化合物的反应可以在紫外线的参与和金属的催化下进行。

即便如此,萨瑟兰还是持谨慎的态度,因为这些反应生成的生命构件结构完全不同,而这需要不同的反应条件(比如不同的金属催化剂),但这些反应很可能都是在相同地点发生的。不过他说,化学与能量条件的轻微不同或许可以造成一个系列的反应在不同的地方生成了不同的产物,比如氨基酸或脂质。“雨水可以将这些构件冲入同一个‘水池’中,”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的生命起源研究员戴夫·迪默(Dave Deamer)说,他也没有参与这项研究。

生命会在这种“公共的水池”中形成吗?这其中的细节永远湮没在了历史之中。但这背后的一些学说与“合理的化学原理”是值得深思的,迪默如是说。绍斯塔克也同意这个观点,“这个更一般的图像提出了很多问题,”他说,“我相信它在今后的一段时间内会引发更进一步的讨论。”

(作者:罗伯特·F·瑟维斯;翻译:李轩)

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