先有“基（因）”还是先有“蛋（白质）”？
RNA世界是一个整洁漂亮的舞台，其中由繁忙的小核糖酶合作组成生命的起点。“垃圾袋世界”则没有这么优雅，也没有得到大众如此广泛的接受。它是奥巴林所设想的世界的一个广义版本，即我们的生命起源于包含各种垃圾脏水的小袋子。
先有“基（因）”还是先有“蛋（白质）”？
文 | 弗里曼·戴森
关于生命起源有三种主要理论。我用最著名倡导者的姓氏来命名这三种理论：奥巴林（Oparin）、艾根（Eigen）和凯恩斯—史密斯（Cairns-Smith）。我没作过历史研究，查明是谁首先提出这些理论。奥巴林理论出现在1924年他出版的书《生命的起源》（Oparin,1957）中，在这以前人们还完全不清楚有关基因的结构和化学性质。后来，当李森科（Lysenko）在苏联镇压遗传学研究期间，奥巴林成为苏联科学院的一位厉害人物。李森科是一名植物育种家，他认为遗传学是实现苏联农业计划的一大障碍。斯大林赋予他专制的权力，他利用专权压制对手，并将很多对手送进监狱。奥巴林是李森科的朋友，但他没有帮助那些遭受迫害的遗传学者（Jukes,1997）。但是他的不良道德行为并不意味着他的理论有误。奥巴林假设生命发生的次序是：先有细胞，蛋白质次之，最后才出现基因。奥巴林在观察中发现，当适合的油状液体与水混合，有时会出现一种稳定的油水混合物，其中油状液体形成许多小油滴并悬浮在那儿。许多非生物过程都会形成这种油滴，而在活细胞中也存在着许多类似的东西。奥巴林假设，生命是由许多复杂的化学物质聚集成分散油滴而产生的，其物理框架是：先有细胞的产生（也就是油滴），再有蛋白质的出现，蛋白质将各种分子在油滴中组织成代谢循环，最后出现基因。由于奥巴林对基因的功能只有模糊的概念，因此他认为基因比蛋白质有更高层次的生物组织程度。
奥巴林理论在今天的一位支持者是多伦·兰赛特（Doron Lancet），他在以色列威兹曼科学院进行生命起源的计算机模拟（Segréand Lancet，1999）。他探索了第一世界并称之为“垃圾袋世界”。“垃圾袋世界”是RNA世界的对立面，大多数分子生物学家相信这个世界的存在。RNA世界是一个整洁漂亮的舞台，其中由繁忙的小核糖酶合作组成生命的起点。垃圾袋世界没有这么优雅，也没有得到大众如此广泛的接受。它是奥巴林所设想的世界的一个广义版本，即生命起源于包含各种垃圾脏水的小袋子，这种小袋子就是细胞的前体细胞。袋中随机采集的分子可能偶尔包含合成其他分子的催化剂，其他分子又可以作为合成另外一些分子的催化剂等。随着时间的推移，包含足够催化剂的分子用以复制整个种群的分子种群将很少产生。再繁殖不需要非常精确。如果以一种粗略的统计方式维持催化剂，这就足够了。袋中的分子群在没有任何准确繁殖条件下进行自我繁殖。当这种情况发生时，袋子可能会因从外部增加的新鲜垃圾变大，有时袋子可能被湍动乱扔从而分解成两个袋子。关键的问题是，产生于自生分子群爆裂袋中的子系袋将包含自生群体的可能性有多大？当这种可能性大于二分之一时，亲本会平均产生多功能性子系，发生发散链式反应，含有自生群体的袋子将进行繁殖，一种生命模式开始。
以这种方式开始的生命就是垃圾袋世界。这是一个小的原型细胞的世界，这种原型细胞仅能在统计的意义下进行自身代谢和繁殖，其中包含的分子自身不能准确繁殖。这种统计意义下的繁殖是自然选择的良好基础。一旦垃圾袋世界始于自然繁殖的原型细胞，自然选择将会运转改善催化剂的质量和繁殖的准确性。如果用我们在现代细胞中看到的许多化学改良品经过一百万年的自然选择产生出原始细胞，这也就不足为奇了。
半个世纪以来，奥巴林的理论被生物学家广泛接受。之所以如此受欢迎，倒不是因为有一些证据支持，而是因为这似乎是《圣经》中神创论的唯一替代对象。然后，在后来的四十年中，艾根完全颠覆了奥巴林理论（Eigenetal.，1981）。艾根理论颠倒了事情发生的顺序，在他的理论中，先有基因，再有蛋白质，最后才是细胞。起初，艾根信仰的是RNA世界。艾根理论是目前最流行、也是最被广为接受的理论。该理论之所以受欢迎，有三个原因：第一，艾根和奥格尔的实验都使用RNA作为实验材料，这使得RNA的复制是生物学发展的基本过程这一点较为可信。第二，切赫（Cech）的实验表明，在缺少蛋白酶的情况下，RNA是一种高效催化剂。第三，双螺旋结构的发现表明，基因在结构上比蛋白质更简单。一旦解开遗传密码的谜团，我们很自然地就会认为，核酸比蛋白质更基本更重要。艾根的理论认为，先有能自我复制的RNA，然后蛋白质很快地出现以构成现代的基因结构，最后再形成细胞把所有质素联结起来。
▲ 鸡生蛋，蛋生鸡之争倒是有了结论。
艾根理论基于两个概念，他分别称之为准物种和超级循环。准物种最先出现，且仅与复制有关。超级循环稍后出现，引入的是与复制体系相融的代谢体系。艾根推断，生命起源于核苷酸单体的充分供给，正如在他所做的实验中表明的，充足的核苷酸单体可以聚合为RNA。准物种与遗传有关，但不是RNA分子。因为复制过程不够完善，所以分子将会突变，并且一代比一代多样化。然而，艾根假设，准物种内分子结构的变化保持有界并逐渐趋于稳定。准物种的分子群就像生物物种内的个体生物群一样，共享某种共同形态。对于这种始终处于稳定状态的共同形态，艾根假设有一种达尔文的自然选择过程支持达到准物种规范的分子复制。艾根将达尔文自然选择与复制的随机错误之间的平衡用一组简单的方程式来表示，这组方程式定量描述了这种情况。
超级循环是一种较高的组织等级，当RNA的一些准物种建立起来并已开始形成与蛋白酶种群的化学组合时，这种组织开始存在。与一种准物种有关联的酶应支持又一种准物种的复制等。相关的群体则隐藏于稳定的平衡态中。
即便是在艾根理论的准物种层面上，也存在一个很严重的困难。对于复制起源的任何一个理论，其核心问题是，如果复制能够发挥作用，那么其功能必须是近乎完善的。如果复制功能不够完美，那么在进行自我复制时就会有错误产生，而这些错误将会一代一代地累积下去。这种错误的累积将导致组织的逐渐恶化，直至完全紊乱。复制组织的恶化被称为“错误剧变”。
（本文摘自《生命的起源》，启真馆出品）
【美】弗里曼•戴森 著
林开亮 刘少敏 译
地球上的生命如何产生？复制或者新陈代谢出现在生命史初期吗？在这本经过深入修订的第二版里，弗里曼• 戴森追问这些问题，并且讨论两个主要理论，试图说明天然存在的化学物质如何实现自我组织进而形成生命体。
多数观点认为，生命起源于分子的复制，形成了现代基因的前体。少数观点则认为，分子随机组合的群体早在进行精确的复制之前已逐步形成新陈代谢活动，自然选择促使细胞长时间朝着多样化的方向进化。这一过程中，基因并未进化。戴森参考地质学家和生物学家近期的重要发现来分析这两种理论，旨在鼓励科学家进行新的实验，帮助决定哪个理论正确。
本书第一版出版于1985 年，当时生物学、遗传学，以及地质学已经作出了革命性的发现，这增进了人们对于生命起源问题的了解。分子生物学家们发现了由RNA 构成的酶——核酶。遗传学家发现，许多最古老的生物生活在炎热的环境下，能够耐热。地质学家在格陵兰岛最古老的陆栖岩石上发现了生命迹象。本书第二版涵盖了过去十年半的时间里人类在生物学和地质学方面的重大进展以及这些重大进展对人类了解生命起源所产生的影响。戴森的这本书思路清晰、引人入胜，定会吸引那些对生命起源感兴趣的读者们。
弗里曼·戴森（Freeman Dyson，1923－），出生于英国。他早年追随著名的数学家G. H. 哈代研究数学，二战后去了美国，师从汉斯•贝特和理查德•费曼等人，开展物理学方面的研究工作。他证明了施温格与朝永振一郎的变分法方法和费曼的路径积分法相互等价，为量子电动力学的建立作出了决定性的贡献，是量子电动力学的第一代巨擘。后来，费曼、施温格和朝永振一郎因为在量子电动力学方面的成就获得了1965年的诺贝尔物理奖，而戴森却因获奖人数的限制而与诺贝尔奖失之交臂。
他发表于1956年的论文《自旋波》堪称物理学史上的重量级论文之一。1960年，他又提出了旨在有效利用外太空能量的“费曼球”理论。因为卓越的学术成就，他先后获得了伦敦皇家学会休斯奖、德国物理学会普朗克奖、奥本海默纪念奖、以色列海法理工学院的哈维奖等多项殊荣。