生命的源頭

非凡的發(fā)現(xiàn)總會催生特別的舉動。詹姆斯·沃森曾談到，他和弗朗西斯·克里克發(fā)現(xiàn)DNA結構之后，“克里克立馬沖進老鷹酒吧，告訴在場的每一個人我們揭開了生命之謎”。當然，DNA分子的雙螺旋結構太優(yōu)美了，克里克再怎么激動都不算過分。大自然用4種堿基編寫的遺傳語言，恰到好處地存儲在DNA上，并一代一代傳遞下去。

遺傳信息儲存在兩條互補的DNA長鏈中，知道一條鏈的堿基組成，就能推斷出另一條鏈的組成。這樣的安排向人們暗示了一種精密的復制機理：復制時，相互纏繞的兩條DNA鏈彼此分離，攜帶堿基的DNA模塊(即核苷酸)分別沿著一條DNA鏈依次排列，相互連接起來。就這樣，一個雙螺旋結構最終變成了兩個，每一個復制品都與原始模板一模一樣。

在DNA雙螺旋結構的啟發(fā)下，科學家解答了一系列關于細胞如何發(fā)揮功能的問題，這些認識也激發(fā)了人們對生命起源的思索。對于生命的定義，人們提出了很多種說法，1946年的諾貝爾生理學獎得主穆勒曾經(jīng)寫道，基因是“一種生命物質(zhì)，是最初生命形式在現(xiàn)代生物中的體現(xiàn)”，而卡爾·薩根則將“最初的生命”設想為“裸露于低濃度有機物溶液中的、自由的原始基因” (這里提到的“有機物”，是指含有束縛碳原子的化合物，既包括生物體內(nèi)的碳化合物，也包括與生物體無關的碳化合物)。穆勒與NASA對生命的定義最為相似：生命體是一個自給自足、能夠進行達爾文式進化的化學系統(tǒng)。

著名科學家理查德·道金斯在著作《自私的基因》中，詳細描述了最初的生命體：“在某一時刻，一個非同尋常的分子偶然形成，我們叫它復制因子。與周圍的分子相比，它也許不算最大或最復雜，卻具有一種非凡的能力，那就是自我復制。”道金斯寫下這番話是在30余年前，當時DNA被認為是最有可能扮演這個角色的候選分子，后來又有研究人員提出了其他可能作為復制因子的分子。但我和其他一些科學家卻認為，這個“復制因子起源說”存在根本性的漏洞，我們更愿意將贊成票投給另一種看起來更合理的假說。

生命起源于RNA?

科學家認定生命起源于RNA，是因為它能獨自執(zhí)行今天的RNA、DNA和蛋白質(zhì)共同承擔的任務。然而，這個觀點也有一個明顯的漏洞。

DNA起源學說剛一提出，質(zhì)疑就接踵而至。DNA復制需要多種蛋白質(zhì)的協(xié)助才能完成，而在化學組成上，蛋白質(zhì)與DNA是兩種截然不同的大分子。雖然它們都是由多個單元組成的長鏈分子，但DNA由核苷酸組成，蛋白質(zhì)的基本單元則是氨基酸。蛋白質(zhì)是細胞內(nèi)的“勤雜工”，其中，酶是人們最為熟悉的蛋白質(zhì)，它們能加速生化反應的進行。假如沒有酶，社會化反應的速度將變得非常緩慢，從而無法發(fā)揮應有的作用。另一方面，細胞需要的蛋白質(zhì)又是根據(jù)DNA攜帶的信息合成出來的。

DNA與蛋白質(zhì)的關系會讓人想起一個古老的謎題：先有雞還是先有蛋?DNA攜帶著合成蛋白質(zhì)的指令，但如果沒有蛋白質(zhì)的協(xié)助，生物又無法讀取和復制這些指令。那么，到底誰先出現(xiàn)，DNA(雞)還是蛋白質(zhì)(蛋)?

當人們把注意力轉向第3種大分子——RNA時，答案似乎清晰了。RNA具有多種功能，它和DNA一樣都由核苷酸構成，但在細胞中扮演著多種角色。一些RNA能將遺傳信息從DNA傳遞到核糖體(細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的結構，它的主要成分是蛋白質(zhì)和一種RNA)。在執(zhí)行不同任務時，RNA既可形成DNA那樣的雙螺旋結構，也能呈現(xiàn)蛋白質(zhì)那樣的單鏈折疊結構。

20世紀80年代初，科學家發(fā)現(xiàn)了核酶。核酶由RNA構成，卻具有酶蛋白的功能。“雞與蛋”這個千古謎題似乎水落石出：生命起源于第一個能夠自我復制的RNA分子。1986年，在一篇發(fā)表于《自然》雜志的原創(chuàng)論文中，1980年的諾貝爾化學獎得主沃爾特·吉爾伯特寫道：“我們可以設想一個RNA世界：在這個世界中，只存在能夠催化自身合成的RNA分子……當RNA開始催化核苷酸合成新的RNA時，進化的第一步便啟動了。”第一個能夠進行自我復制的RNA分子產(chǎn)生于非生命物質(zhì)，當初它獨自執(zhí)行的多種功能，現(xiàn)在則由RNA、DNA和蛋白質(zhì)共同承擔。

在進化過程中，RNA先于蛋白質(zhì)和DNA出現(xiàn)的設想，得到了許多證據(jù)的支持。在酶的催化反應中，很多名為輔助因子的小分子發(fā)揮著重要作用，它們通常會攜帶一個沒有明顯功能的RNA核苷酸。這樣的結構被認為是“分子化石”，也就是遠古時代留下的遺跡。當時，世界上還沒有DNA和蛋白質(zhì)，RNA掌控著整個生物化學世界。

然而，根據(jù)上述以及其他一些線索，我們只知道RNA先于DNA及蛋白質(zhì)出現(xiàn)，而對于生命到底如何起源還是一無所知。因為在RNA世界之前，也許還有其他生命形式主宰過世界。很多科學家用“RNA世界”籠統(tǒng)地概括了兩種觀點，很容易讓人混淆。在這里，我用“RNA起源說”指代那些認為生命起源于RNA的觀點，以便區(qū)別于另一種觀點：RNA只是一種先于DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)的分子。

RNA的漏洞

結構越復雜，在原始條件下自發(fā)形成的幾率也就越低。與只含有幾個原子的小分子相比，RNA顯然是太大了。

RNA起源說存在一個難以彌補的漏洞：第一個能夠自我復制的RNA分子是怎樣產(chǎn)生的?吉爾伯特的假說認為，RNA產(chǎn)生于一鍋無生命的“核苷酸湯”，這一點很難自圓其說。

RNA的組成單元——核苷酸是一種復雜的有機分子，每個核苷酸含有1個糖基、1個磷酸基以及4種含氮堿基中的1個。因此，每個RNA核苷酸就含有9個或10個碳原子、多個氮氧原子以及一個磷酸基團，所有原子彼此相連，形成一個精確的立體結構。這些原子可以有多種連接模式，從而形成數(shù)千種可能的核苷酸。理論上，這些核苷酸應該可以取代現(xiàn)有的4種RNA核苷酸，但事實上它們從未在RNA的結構中出現(xiàn)過。同時，與幾十萬乃至數(shù)百萬種穩(wěn)定的、大小相似的非核苷酸有機分子相比，形成RNA核苷酸的可能性就更顯得微乎其微了。

盡管如此，有一種觀點認為適當?shù)暮塑账嶙罱K還是形成了。這種觀點的產(chǎn)生與一個著名的實驗有關。1953年，米勒發(fā)表文章說，為了模擬早期地球的大氣環(huán)境，他簡單地配置了氣體混合物，并施以火花放電。在檢查實驗結果時，米勒興奮地發(fā)現(xiàn)了氨基酸的存在。1969年，一顆隕石(默奇森隕石)墜落在澳大利亞，科學家在隕石上也發(fā)現(xiàn)了氨基酸。顯然，對于組成生命的成分，大自然的供給是十分慷慨的。根據(jù)這些研究結果，一些論文的作者推斷，所有的生命組成部分都能夠輕易地在米勒式的實驗中形成，也能在隕石中找到。

但事實并非如此。在米勒實驗中生成的氨基酸，結構遠不及核苷酸復雜。氨基酸的結構特征是：1個氨基和1個羧基連接在1個碳原子上。在組成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸中，最簡單的氨基酸含有2個碳原子，但大部分氨基酸都含有6個左右的碳原子。在米勒的實驗中，所生成的氨基酸及其他物質(zhì)，大部分只含兩三個碳原子。顯而易見，在自然界中含有較少碳原子的分子更容易形成。到目前為止，還沒有任何報道顯示在火花放電實驗中有核苷酸生成，或在隕石中發(fā)現(xiàn)核苷酸。看來，自然界并未對核苷酸表現(xiàn)出特別的偏好，從而為它的生成提供便利，盡管它是生命所必需的。

為了彌補“RNA起源說”的致命缺陷，支持者創(chuàng)立了一門新的學科——“前生物合成”學。他們試圖證明，在實驗室中利用相關條件和原始材料，通過一系列精準控制的反應能夠制備出RNA及核苷酸。

我深入研究了“前生物合成”學。對于其中存在的問題，我們可以通過以下的比喻來說明。一個高爾夫球員依次將球打進18個洞以后，球穿越了整個球場。然后他提出假設：我不擊球，它也能夠自己穿越球場。他解釋了這種情形發(fā)生的可能性：只要時間允許，在某些自然力(例如地震、風以及洪水)的作用下，高爾夫球也能進洞、穿越球場。RNA的自發(fā)形成與此類似，不需要違反任何物理規(guī)律，然而，阻礙RNA形成的障礙卻是無限大。

一些化學家提出，一種與RNA類似、但更簡單的復制因子首先形成，統(tǒng)治著RNA之前的世界，而且第一個復制因子可能具有RNA的催化能力。但到目前為止，生物學家都沒有發(fā)現(xiàn)假想中的原始復制因子以及催化分子。因此，RNA的所有功能肯定是在RNA形成之后才完全擁有的。

此外，不論是核苷酸還是更簡單的有機分子，即使各種生命組件都在地球上存在過，它們也很難自發(fā)組裝成復制因子。在這種情況下，有無合適的條件形成生命組件就顯得無關緊要了。讓我們假設一下，在有利條件下生命組件以某種方式組裝起來；但與此同時，一大堆有瑕疵的組件也會被組裝進去，這樣形成的長鏈分子必然無法發(fā)揮復制因子的功能。舉例來說，組件上最簡單的瑕疵，可能是缺少一條用來連接其他組件的“胳膊”——如果分子鏈要繼續(xù)延長，每一個組件都得有兩條“胳膊”才行。

自然界是公平的。從理論上講，各種組件會隨機結合產(chǎn)生多種多樣的短鏈分子，但具有統(tǒng)一幾伺骨架、擁有自我復制及催化功能的長鏈分子則很難形成。長鏈分子的生成幾率是如此之低，以至于在世界任何地方生成任何一個長鏈分子，都可能是受到了上天的特別著顧。

(張小寧 插畫)