地球生命起源之谜（2）：大分歧，三派逐鹿俱称先

查看原文

其他

地球生命起源之谜（2）：大分歧，三派逐鹿俱称先

原创 2017-08-15 岭南客编译 岭南天问阁

本文编译自BBC年度热文“the secret of how life on earth began”，本期第二章。

本文与前期文章《天地玄黄、宇宙洪荒：宇宙大爆炸理论介绍》共同组成天问第一期“溯源”主题，探讨万物起源和第一推动力问题，也就是门卫保安经常问的第一个问题：“你从哪里来的？”。

到20世纪50年代初，科学家已经摆脱了由来已久的假设，即生命是神的恩赐。他们开始探索生命早期在地球上自然而自然地形成的可能性 - 而且由于斯坦利·米勒（Stanley Miller）的标志性实验，他们甚至对这个想法有了实质的支持。

当米勒试图从头开始创造生命时，其他科学家正在弄清楚什么是基因。到目前为止，许多生物分子已经弄明白了。

这些包括糖，脂肪，蛋白质和核酸（如“脱氧核糖核酸” - deoxyribonucleic acid或简称DNA）。

今天我们想当然地认为DNA携带我们的基因，但对20世纪50年代的科学家来说是非常震惊的。蛋白质更复杂，所以科学家认为它们是基因。这个想法在1952年被华盛顿卡内基学院的Alfred Hershey和Martha Chase驳斥。他们研究了仅含有DNA和蛋白质的简单病毒，并且这些病毒必须感染细菌才能繁殖。他们发现：进入细菌的是病毒的DNA，而蛋白质留在了外面。显然，DNA是遗传物质。

Hershey和Chase的调查结果引发了一场疯狂的比赛，以确定DNA的结构以及运作机理。第二年，英国剑桥大学的弗朗西斯·克里克（Frankie Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）破解了这个谜团，过程中获得了同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）的许多未被明确承认的帮助。他们是二十世纪最伟大的科学发现之一。它还通过揭示隐藏在活细胞内的难以置信的复杂性，重塑了对生命起源的追求。

詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）与他们的DNA模型（来源：A.Barrington-Brown / Gonville和Caius College / Science Photo Library）

Crick和Watson认识到DNA是一个双螺旋，就像一个被扭曲成螺旋的梯子。梯子的两个“极”分别由称为核苷酸的分子构建。

这个结构解释了细胞如何复制DNA。换句话说，它揭示了父母如何复制他们的基因并将其传给他们的孩子。关键是双螺旋可以“解压缩”。这暴露了遗传密码 - 遗传基因碱基对A，T，C和G的序列，通常被锁定在DNA梯子的“梯级”内。然后将每条链作为模板来重新创建另一个的副本。

使用这种机制，从生命开始以来，基因已经从父母传给孩子。您的基因最终都来自那个所有生物的终极祖先细菌，而且每一步都使用克里克和沃森发现的机制进行复制。

请在下面视频中探索DNA的结构：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=z1322kr6cwd&width=500&height=375&auto=0
克里克和沃森在1953年《自然》上发表了一篇论文，提出了他们的发现。在接下来的几年中，生物化学家们你追我赶的寻找DNA中携带的准确信息，以及这些信息在活细胞中的用途。生命中最深处的秘密第一次得到曝光。

最终发现，DNA只有一个工作：你的DNA告诉你的细胞如何制作蛋白质——这些蛋白质是大量基础生命化学活动的载体。没有蛋白质你不能消化你的食物，你的心脏会停止，你不能呼吸。

但使用DNA制作蛋白质的过程证明是错综复杂的。这对任何试图解释生命起源的人都是一个巨大的困难，因为很难想象这么复杂的事情是如何开始的。
每个蛋白质本质上是长长的链氨基酸，以特定的顺序串联在一起。氨基酸的序列决定了蛋白质的三维形状，以及决定了它行使的功能。

该信息承载在DNA的碱基序列的编码中。因此，当细胞需要制作特定的蛋白质时，它读取DNA中的相关基因（【岭南按】一段按照特定顺序排列的碱基编码）以获得氨基酸序列。

但DNA是双螺旋扭曲的，（或许）因为DNA是宝贵的，所以细胞更愿意把它捆绑在一起保证安全。为此，他们将信息从DNA复制到称为RNA（ribonucleic acid，核糖核酸）的另一种分子较短的物质上。如果DNA是一本图书馆书籍，RNA就是一小片纸，“涂抹”着一段重要的编码信息。 RNA类似于DNA，只不过它只有一条链（strand）。

两个主要的核酸的比较： RNA (左) 和 DNA (右), 展示分别采用的螺旋和核碱基。

最后，将RNA链中的信息转化为蛋白质的过程，发生在一种称为“核糖体”(ribosome)的极其缜密复杂的分子中。

这个过程正在每个活细胞中进行，甚至是最简单的细菌。对生命来说它和饮食、呼吸一样至关重要。对生命起源的任何解释必须阐明这种复杂的三位一体：DNA、RNA和核糖体蛋白质，是如何共存、并相互协作的。

细胞能变得非常复杂（来源：Russell Kightley / Science Photo Library）

突然间，Oparin和Haldane的观点看上去过于原始和简单，而Miller的实验，只产生了几种用于构建蛋白质的氨基酸，看起来也有些业余。他的开创性的研究显然只是漫长道路的第一步，距离指引我们创造生命还有很远的路。

约翰·萨瑟兰（John Sutherland）说：“DNA产生RNA再产生蛋白质，所有这些都是在脂质包裹的化学物质中发生的”（【岭南按】：指在细胞中发生）。
“你看着这些，只能说：‘哇，太复杂了’，我们又怎么去找到一种有机化学反应--让这个过程一次发生呢？”

第一个真正直面这个问题的人是英国化学家莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel）。他是第一个看到克里克和沃森的DNA模型的人之一，并且将帮助美国国家航空航天局与他们的维京计划，这个计划将登陆机器人发往火星。

奥格尔着手简化问题。在他1968年写的论文里（得到克里克的支持），他认为第一次生命没有蛋白质或DNA。相反，它几乎完全是靠RNA实现的。如果是这样的话，这些原始RNA分子必须是特别通用的。一方面，他们一定能够建立自己的副本，大概使用与DNA相同的碱基配对机制。

生命从RNA开始的想法将被证明是非常有影响力的。但也引发了一场一直持续到今天的你来我往的科学赛马战。

DNA几乎是每一个生物的核心（来源：Equinox Graphics Ltd）

通过主张生命从RNA和一点其他次要物质开始，Orgel提出生命的一个关键方面：它的“复制能力”出现在所有其他方面之前。从某种意义上说，他不仅仅是假设生命是如何组装的，他在说的是：什么是生命。（【岭南按】也就是说：生命就是复制）

许多生物学家都会同意Orgel “复制第一” 的想法。在达尔文的进化论中，创造后代的能力绝对是核心功能：生物可以“赢”的唯一途径就是留下很多孩子。

但是生命的其他特征似乎同样重要。最明显的是新陈代谢：从周围环境中提取能量并利用它来保持自己的活力。对于许多生物学家来说，新陈代谢才是原始生命的首要特征，“复制”后来才出现。

所以从二十世纪六十年代起，研究生命起源的科学家就分裂成几个阵营。
Sutherland说：“基本的分歧是：‘新陈代谢第一’ PK ‘繁殖第一’ ”。

同时，第三组认为，首先要出现的是关键分子的容器，以防止它们脱落。萨瑟兰说：“分割室必须先形成，否则就没有任何意义要做新陈代谢，除非你是分隔的。换句话说，需要先形成一个细胞（正如Oparin和Haldane在几十年前所强调的那样），也许是由简单的脂肪和脂质膜所包围形成的。（【岭南按】细胞第一）

所有这三个想法都获得了追随者的支持，并且发展到了现在。科学家们已经热衷于坚持他们自己圈养的观念，有时甚至是盲目的。

结果，关于生命起源的科学会议往往成为争吵事件，一个阵营的科学家经常告诉这个问题的记者，从其他阵营出现的想法是愚蠢的或更糟的。

感谢Orgel，生命开始于RNA和遗传学的观念能早日开始。然后到了八十年代，一个惊人的发现几乎证实了这一点……

一位科学家在探索“复制第一”的道路上，找到了一个重要的证据，证明RNA对于生命起源极其重要，并获得了2009年诺贝尔奖，RNA究竟如何重要呢？且听下回分解, 嘿嘿 ……

RNA可能是生命的关键（来源：Equinox Graphics Ltd）