一條折疊起來的單鏈RNA。圖源：Wikipedia

來自英格蘭(lan) 、蘇格蘭(lan) 和波蘭(lan) 的科學家們(men) 表示，DNA和RNA在地球出現生命之前可能是以嚴(yan) 格的配對方式同時存在的。而DNA和RNA是現代構成地球生物體(ti) 的遺傳(chuan) 密碼的主要形式。研究團隊使用一種氰化氫為(wei) 基礎的化學體(ti) 係模擬地球早期的環境並製造了四種堿基，即遺傳(chuan) 字母表中的四個(ge) 分子形式的“字母”。這些堿基串起來形成基因序列，細胞通過基因序列轉錄蛋白質。但他們(men) 驚喜地發現，實驗中始終存在的這四種堿基中，僅(jin) 兩(liang) 種出現在DNA中，而另外兩(liang) 種出現在RNA中。

這項研究由英國劍橋大學醫學研究理事會(hui) 的分子生物學實驗室的John Sutherland團隊完成，成果發表在《自然》（Nature）上。這一研究再一次動搖了所謂的RNA世界假說。RNA世界假說認為(wei) ，在DNA和其他重要的生物分子出現之前，RNA是構成地球生物圈的基礎。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(wei) 止，還沒有被足夠多的證據證明哪些化學途徑可以形成這種“純”RNA體(ti) 係，從(cong) 而形成嚴(yan) 謹的科學觀點；抑或這一體(ti) 係可以在後來產(chan) 生DNA。Sutherland說，“人們(men) 已傾(qing) 向於(yu) 認為(wei) RNA是DNA之‘母’，但這項研究表明，RNA和DNA是分子水平的‘同胞’。”

然而，其他沒有參與(yu) 這項研究的科學家質疑此項研究中以氰化氫為(wei) 基礎的合成路線是否是合理的。位於(yu) 奧爾良的法國國家科研中心的分子生物物理學中心的太空生物學團隊負責人Frances Westall強調：形成這些堿基需要極其特殊的條件。混合物需要徹底幹燥並暴露在紫外線下——幹旱的陸地很容易滿足這兩(liang) 個(ge) 條件，但是在40億(yi) 年前及更早些時候，被海洋覆蓋的地球是稀缺這兩(liang) 個(ge) 條件的。“早期地球肯定存在這些條件，”Westall說，“（但是）它們(men) 不會(hui) 那麽(me) 常見，因為(wei) 當時沒有那麽(me) 多裸露的陸地。”盡管她補充說，這項研究是“聰明的”而且“不是完全不可能的”，但她總結道，“對於(yu) 生命的出現地點及生命起源前的分子的出現地點，還有其他更好的假設。”

對於(yu) 合理性的爭(zheng) 論始於(yu) 20世紀50年代早期，當時美國研究者Stanley Miller和Harold Urey做了一個(ge) 裏程碑式的實驗。此後至今，這些爭(zheng) 論使得以化學為(wei) 基礎來理解地球生命起源的科學探究備受困擾。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(men) 的實驗產(chan) 生了對生物化學至關(guan) 重要的有機大分子，並因此聞名，但幾十年來其他研究者一直在爭(zheng) 論實驗條件的合理性。然而，Miller和Urey的工作說明，合成重要基礎物質是相對簡單的，例如（他們(men) 合成的）氨基酸。氨基酸可以連接形成蛋白質，蛋白質隨後在活細胞中可以執行無數功能。蛋白質對生命起源的研究非常重要，它可以充當催化劑以促進和加速其它化學反應，否則這些反應會(hui) 進行得太慢或者需要太多能量而難以發生。但地球生命興(xing) 起的過程中，蛋白質並不是唯一可能的催化劑。

在最終獲得1989年諾貝爾化學獎的工作中，分子生物學家Sidney Altman和生物化學家Thomas Cech發現RNA也可以起到催化劑的作用。此前，RNA長期以來被認為(wei) 隻是基因信息的中間載體(ti) ，被DNA所決(jue) 定。RNA世界假說認為(wei) 這些分子是可以自我複製的，使得DNA和蛋白質出現之前的早期生命進化成為(wei) 可能。Sutherland說，然而這一假說“是對Altman和Cech傑出發現‘過分熱心’、‘過分熱情’的解讀”。

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這樣解讀的部分原因可能是，對於(yu) 一個(ge) “天真的”化學家來說，從(cong) RNA世界中生成DNA似乎是很容易的。為(wei) 了形成我們(men) 經常看到的DNA標誌性雙螺旋狀的盤旋長鏈，堿基首先連接到糖分子的“主幹”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(jue) 定了物質的最初形態）。這兩(liang) 種糖分子的差異是很小的：僅(jin) 僅(jin) 差一個(ge) 氧原子和一個(ge) 氫原子。但是這樣的差異足以使得DNA和RNA扮演不同的生物學角色。用生物化學方法移除這兩(liang) 個(ge) 原子的難度要遠遠大於(yu) 簡單地擦除筆記本上代表原子的字母。

另一個(ge) RNA世界假說的不足是，在地球早期可能存在的環境中生成核糖是非常困難的，將核糖與(yu) 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(chan) 生核糖和核糖核苷的方法。他們(men) 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(liang) 種氣體(ti) ：硫化氫和氰化氫。當這些簡單的化合物溶解在水中，暴露在紫外線下，並經過循環地幹燥，就會(hui) 產(chan) 生許多更為(wei) 複雜的分子。其中包括氨基酸和甘油，它們(men) 可以形成脂肪的骨架，而脂肪可以形成細胞的外壁。

Sutherland去年在這一方法上又進了一步。與(yu) 美國斯克裏普斯研究所（the Scripps Research Institute，位於(yu) 加利福尼亞(ya) 州拉荷亞(ya) ）的Ramanarayanan Krishnamurthy研究團隊合作，Sutherland和他的同事發現胞嘧啶核苷與(yu) 尿嘧啶核苷可以轉化為(wei) 脫氧核糖、核苷和脫氧腺苷。現在，主要通過Jianfeng Xu和Václav Chmela的努力（他們(men) 都是英國劍橋大學醫學研究理事會(hui) 分子生物學實驗室的團隊成員），研究取得了更大的進展。他們(men) 將團隊過去研究的一些中間產(chan) 物與(yu) 鹽類化合物（例如早期地球廣泛存在的亞(ya) 硝酸鈉、氯化鎂）混合，然後分別將它們(men) 置於(yu) 酸和熱的環境。通過這些操作，科學家們(men) 發現有兩(liang) 種可能的路線可向預存的混合物中添加1個(ge) 第四種堿基，即較不常見的肌苷。這一添加足以構成四個(ge) “字母”（即四種堿基）的基因字母表：一條鏈上的每個(ge) 堿基將與(yu) 另一條鏈上其他三種堿基中的一個(ge) 單獨配對。這種堿基互補配對方式就是現代RNA和DNA的工作原理。但是在這個(ge) 實驗中，兩(liang) 種堿基來自RNA，兩(liang) 種來自DNA。

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這項實驗設計“表明產(chan) 生RNA和DNA的化學方法沒有人們(men) 想象的那麽(me) 不同，”Sutherland說。“人們(men) 傾(qing) 向於(yu) 認為(wei) RNA先於(yu) DNA出現，然後前者以某種方式被後者取代。對我來說，這意味著中間過程有可能有RNA-DNA雜交鏈，然後產(chan) 生獨立的兩(liang) 個(ge) 分子RNA和DNA。”然而，Sutherland的團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(wei) 可以證明雜交鏈真的可以形成或結合成RNA或DNA鏈，從(cong) 而為(wei) 這一猜測提供科學證據。

這對於(yu) Nicholas Hud來說是個(ge) 關(guan) 鍵的問題，他是喬(qiao) 治亞(ya) 理工學院生命起源方麵的研究者（他沒有參與(yu) 這項研究）。他稱這一問題是水基核苷合成在有機化學方麵 “出色的匯編”。但是Hud並不相信這篇論文能夠證明這些核苷是否在生物體(ti) 出現之前就已經存在了。他自己的研究表明，氨基酸可能在RNA出現之前就已經連接（形成多肽或蛋白質），可以攜帶信息並起到催化劑的作用。Hud認為(wei) ，在後來漫長的地質時期內(nei) ，（生物）進化會(hui) 逐漸產(chan) 生現在的遺傳(chuan) 係統。“如果一個(ge) 分子用化學方法是很難合成的，但它又有著精巧的生物功能，那麽(me) 它也許需要通過很長時間的進化才會(hui) 形成，”他說。基於(yu) 相同的理由，他也對RNA世界假說持懷疑態度。

此外，Hud認為(wei) 這項研究的結論是依賴於(yu) 嚴(yan) 格的漸進的實驗步驟，即每一步要遵循嚴(yan) 格的實驗順序和控製條件，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(chan) 物沒有被分離出來，Sutherland和他的同事們(men) 將會(hui) 得到更少他們(men) 感興(xing) 趣的物質。這些嚴(yan) 格的要求減少了在早期地球混亂(luan) 的環境中發生相應反應的可能性。

Sutherland承認，由於(yu) 沒有時間機器帶我們(men) 探索地球生命的真正起源過程，在這個(ge) 樣品稀缺的研究領域，“合理性就是一切”。盡管如此，他還是堅定地支持他的團隊在化學路線上探索生命起源。“很多爭(zheng) 議的矛頭指向氰化氫，”Sutherland斷言。“‘這一研究能證明一切都是氰化氫產(chan) 生的嗎？’答：不能證明這一點。但我認為(wei) 這項研究已經足夠出色了。”

作者：Annie Sneed

翻譯：黃灝

審校：曾小歡

引進來源：科學美國人

引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/the-first-gene-on-earth-may-have-been-a-hybrid/


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