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生物起源和进化的困惑--先有核酸还是先有蛋白质? 精选

已有 5520 次阅读 2018-2-4 13:08 |个人分类:自然之旅|系统分类:科普集锦



在生命起源时,究竟是先有蛋白质还是先有核酸呢?这个问题和“先有鸡还是先有鸡蛋”均是著名的悖论。




20世纪50年代,英国科学家贝尔纳利用应邀在莫斯科大学作学术报告之机,向苏联著名的生物化学家奥巴林提出这个问题。据说当时奥巴林急得满脸通红,最后羞愧地回答:无可奉告。



对此科学界也众说纷纭,一派认为先有蛋白质,另一派认为先有核酸,再有一派认为蛋白质和核酸同时起源。在核酸派里,有的提出先有脱氧核糖核酸DNA,有的则认为先有核糖核酸RNA,研究将近半个世纪。



根据中心法则,蛋白质的合成必须以核酸为模板,核酸的核苷酸顺序决定蛋白质的一级结构,从而在相当大的程度上决定蛋白质的功能。另一方面,核酸的合成又离不开蛋白质,核酸合成过程需要许多种生物酶的作用,而酶的属性就是蛋白质!




四十亿年前,地球的原始化学汤中开始出现后来发展处生命的大分子。尽管目前科学家对于这些生命分子的具体成分还在进行着激烈争论,但他们一致认为这些分子应该承担两项重要功能:储存信息和催化反应。在现代生物细胞中,这两项任分派给DNA和蛋白质。当下,生命起源研究和生物课本的主流观点认为,这两项任务最初都由RNA完成,它为随后DNA和蛋白质的接管铺平道路。




1982年,生物学家托马斯•切赫在研究四膜虫时发现刚转录下来的核糖核酸在一定条件下可进行自身催化剪切反应。换言之,RNA也可起酶的催化作用。RNA酶和蛋白质酶催化反应并无实质性的差别,只是蛋白酶催化反应效率更高、速度更快。所以,RNA可一身二任,既可保存信息,又能提供酶催化活性。因此,先出现的不是蛋白质,而是RNA分子,因为这些早期的RNA不仅能够携带遗传信息,而且能催化它们自身的增殖。自然而然,生物遗传物质主体最先起源于RNA分子。


由于单链的RNA结构不够稳定,于是就进化成结构更加稳定的双链DNA,尔后再又DNA转录成RNARNA再翻译成蛋白质。由于蛋白酶催化反应效率更高、速度更快,于是核酶也就隐身而退。



RNA学说从一开始就存在两处疑点。其一,RNA真的能靠一己之力、承担起全部生命功能吗?其二,它真的是在早期的地球上形成的吗?

我们仍未找到确凿的证据证明RNA能够完成理论中声明的那些任务。RNA的确是一种能干的分子,但它也许并没有那么多才多艺。因此我们必须解决一个问题。如果生命源自于RNA分子的话,那么RNA就必须能对自己进行复制,即拥有自我复制的能力。但目前我们还未发现过能够自我复制的RNADNARNADNA的复制过程需要大量酶和其它分子参与。

因此,上世纪80年代末,几名生物学家如杰克·绍斯塔克开始一次看似疯狂的研究:人工制造出能够自我复制的RNA10轮实验之后,绍斯塔克终于合成了一种RNA酶,能够使反应速度提高到原来的700万倍。他们证明了RNA酶的功能非常强大,但却无法对自身进行复制。这条路终究行不通。




2001年绍斯塔克的学生戴维·巴特尔取得重要进展。他合成了一种名叫R18RNA酶,可按照已有模板、向RNA链中加入新的核苷酸。换句话说,这种酶并不是随机地添加核苷酸,而是完成了正确的序列复制。R18是一条由189个核苷酸构成的长链,可向另一条RNA链中添加11个核苷酸,占自身长度的6%。理想情况下,只要它多复制几次,就能生成一条和它一样包含189个核苷酸的长链。

2011年剑桥分子生物实验室菲利普·霍利格做了一次出色的尝试。他的研究团队对R18进行修改,合成tC19ZtC19Z一次可复制95个核苷酸,占自身长度的48%。虽然这已远超R18能够复制的长度,但离100%的目标还有一定距离。




很多RNA学说的怀疑者认为,这一理论的致命之处在于我们找不到能够自我复制的RNA。这样,RNA似乎无法承担生命起源的重任。雪上加霜的是,化学家无法凭空造出RNA。与DNA相比,RNA看似是一种简单的分子,但事实证明,合成RNA是一件极其困难的事情。问题在于,我们虽然可以分别合成糖和核苷酸的基团,但却无法把它们连接在一起。

90年代初,科学家已意识到这个问题。很多生物学家因此对RNA学说产生怀疑。也许早期地球上还存在另一种比RNA更简单的分子,能够在早期的原始化学物质混合物中将自己组装起来、并开始自我复制。也许这种分子最先出现,然后才出现了RNADNA等。




1991年哥本哈根大学的彼得·尼尔森提出一种可能的原始复制子。它就像经历大量改动后的DNA。尼尔森保留了DNA中的碱基(ATCG),并用聚酰胺取代DNA中的糖类作为骨架。他将这种新分子称作聚酰胺核酸,简称PNA,后来又被称作多肽核酸。

人们从未在自然界中发现过PNA的存在,但它的特性与DNA十分相似,PNA链甚至能取代DNA分子中的一条链,碱基配对仍能照常进行,并且就像DNA一样,PNA也能形成双螺旋结构。

史丹利·米勒对此产生浓厚的兴趣。2000年米勒找到更加有力的证据。他重复了自己当年的经典实验,只不过这一次使用的原料为甲烷、氮气、氨气和水,最终得到了PNA的聚酰胺骨架。这说明早期地球上形成的很可能就是PNA,而非RNA。而其它化学家也提出不同形式的核酸。2000年阿尔伯特·埃申莫瑟合成苏糖核酸(简称TNA)TNADNA基本相同,只不过构成骨架糖类型不同。TNA链也可构成双螺旋结构,还能与RNA相互复制信息。此外,TNA也能折叠成复杂的形状,甚至可以和蛋白质结合在一起。这说明TNA也许和RNA一样,也能发挥酶的作用。




2005年埃里克·梅格思合成乙二醇核酸,也可形成双螺旋结构。这些核酸的合成者均支持自己的观点、互不相让。但在自然界中我们从未发现过这些核酸踪迹。因此,若原始生命确实采用这些核酸,后来肯定又弃之不用、改用RNADNA。事实有可能是这样,但我们依然缺乏证据。因此,RNA学说的支持者们仍处于进退两难的窘境之中。

另一方面,RNA酶确实是存在的,且在核糖体中占据核心地位。但人们仍未找到能自我复制的RNA,也不知RNA最初是怎样在原始物质混合物中形成的。其它形式的核酸或许能解决后一个问题,但又找不到它们在自然界中存在的依据。所以,RNA学说虽然比较可信,但并非全部真相。




201711月,Quanta Magazine报道另一生命起源的可能模型:类蛋白,而非RNA是最先出现的自我复制单位。但是,这一发现仅停留在计算层面,研究者才刚刚着手实验去寻找支撑理论的证据。这种理论,其中涉及RNA和多肽的共同演化。




北卡罗来纳大学结构生物学家Charles Carter表示:RNA学说仅是“权宜之计”,“若按照我们现在对生命的特征的认识而言,单一的聚合物不可能执行所有生命必需过程。”。

Charles CarterPeter Wills主要考虑的是反应催化作用:就算RNA在生命诞生前的世界里具有很强的调控能力,它可能早已适应当时全球100℃的高温。一旦地球温度下降,RNA就不可能继续演化和保证各项生命过程的同步进行;不久之后,之前有序进行的各项化学反应又将陷入混乱。



其中可能最关键的是,单一RNA不能解释遗传密码的出现。当下,几乎所有生物体均利用遗传密码将遗传信息翻译成蛋白质。密码指挥64种可能的三联核苷酸RNA序列与20种氨基酸匹配,以此来编码蛋白质。所以,仅靠RNA难以构建如此严密的编码系统。虽然RNA具有“化学反射性”(Chemically reflexive),或许可催化自身形成,但缺乏“计算反射性”(Computational reflexivity)。RNA 世界假说中的RNA仅是化学性的,全然不能控制自身的化学过程。“RNA假设无法解释任何关于遗传上的问题。”。



Charles CarterPeter Wills认为:在自然界中,一定存在着一条连接“原始化学汤”与“遗传密码”更好的捷径。CarterWills认为他们已找到这条捷径:一条从肽-RNA复合物发展而来的紧凑反馈回路。


注:囿于个人水平之限,错误在所难免。敬请批评指正!此外,本博文图片和部分文字介绍均源于网络(仅用于学术传播等非商业行为)。特在此致谢!



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