探索地球生命起源
探索地球生命起源
每一个活细胞,哪怕是最简单的细菌,内部都充斥着设计巧妙的分子装置,这让纳米技术学家羡慕不已。随着这些机器不停地在细胞内震动、旋转或蠕动,它们剪切、粘贴和拷贝遗传分子,运输营养物质或将它们转变成能量,构建和修补细胞膜,传达机械信息、化学信息或电信息——这种过程不断持续。对这种过程的研究还不断有新发现。
我们实在无法想象,37亿年前,生命从无生命物质中诞生时,这些细胞机器[主要是由蛋白组成的被称为酶(enzyme)的催化剂]是如何自发形成的。不可否认,在合适的条件下,一些更为简单的化学物质容易形成某些蛋白质的基石,即氨基酸。美国芝加哥大学的斯坦利·L·米勒(Stanley L. Miller)和哈罗德·C·尤里(Harold C. Urey)在20世纪50年代的开创性实验中已经证明了这一点。但是从氨基酸到蛋白质和酶则是另一回事。
细胞合成蛋白质的过程十分复杂:酶先要解开DNA双螺旋的双链,提取出基因所含的信息(这是蛋白合成的蓝图),翻译成最终产物。如此一来,解释生命的起源问题必然伴随着一个悖论:似乎是蛋白质,以及现在存储于DNA里的信息,在制造蛋白质。
另一方面,如果第一个生物体根本不需要蛋白质的话,这种矛盾就不再存在。最近的一些试验表明,类似于DNA或类似于其近亲RNA的遗传分子有可能自发形成。因为这些分子可以卷曲成不同形状,起到原始催化剂的作用,它们或许不需要蛋白质参与,就有能力自我拷贝,也就是繁殖。由脂肪酸组成的、已知可以自发形成的简单膜,包裹着水和这种自我复制的遗传分子——这可能就是生命的最初形式。这些遗传物质可以编码那些世代相传的性状,正如DNA在所有现存生物中所做的那样。拷贝过程中随机出现的偶然突变可以促进进化,也可以使这些“早期细胞”适应环境,彼此间相互竞争,从而最终进化成我们所知的生命形式。
第一个生物体的真实性质和生命起源的确切环境,可能永远都不可考证。但研究至少可以帮助我们了解有哪些可能性。最终的挑战就是,构建一个能够复制和进化的人造生物体。重新创造生命无疑有助于我们了解生命如何起始,评估它存在于其他星球的可能性,从而最终了解生命到底是什么。
如何开始
围绕生命起源,一个最困难也最有趣的谜题就是,存在于早期地球上的更简单分子如何形成这些遗传物质。从现代细胞中RNA的功能来看,RNA的出现似乎早于DNA。现代细胞合成蛋白质时,它们先把基因从DNA转录成RNA,然后以RNA为蓝图合成蛋白质。一开始,最后一步可能独立存在。后来,由于DNA化学稳定性极高,因而成为更加固定的信息存储载体。
研究者还有另一条理由认为RNA早于DNA出现。由RNA构成的酶被称为核酶(ribozyme),它在现代细胞中也发挥着关键作用。核糖体由RNA和蛋白质构成,功能是将RNA翻译成蛋白质。其中,催化蛋白质合成的主角正是RNA。因此,我们每一个细胞的核糖体都携带着来自原始RNA世界的“化石”证据——核酶。
目前许多研究的重点都是寻找RNA的起源。DNA和RNA这两种遗传分子都是多聚体(由更小的分子成串组成),基本组成单位是核苷酸。核苷酸有三种组分:糖、磷酸和碱基。碱基共有4种,它们就是核酸用于编码遗传信息的“字母”。在DNA中,这些 “字母”是A、G、C和T,分别代表腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶,而在RNA中,除了“字母”U(尿嘧啶)取代了T(见右图),其余“字母”都相同。碱基为富氮化合物,它们按照简单的原则而相互结合:如A与U(或T)配对,G与C配对。这样的配对构成了螺旋状DNA “梯子”(即双螺旋)的台阶,而且它们之间的特异性配对,对于如实复制遗传信息非常关键,因为只有这样细胞才能复制。与此同时,磷酸根和糖分子组成DNA 或RNA链的“骨架”。
经过一系列步骤,氰化物、乙炔和水可以自我组装成碱基——这些简单分子存在于地球早期的原始物质中。简单的起始物质也易于聚集成糖。100多年前,研究者就已经知道,在碱性溶液中加热甲醛就可以得到多种糖分子混合物,而在早期行星上,是可以找到甲醛的。问题是如何得到合适的糖(如RNA的核糖)来制造核苷酸。两种发生在简单的二碳糖和三碳糖间的分子间反应,可以形成核糖及其他三种与核糖关系相近的糖分子。核糖这种形成方式并不能告诉我们,它为何能广泛存在于早期地球上,因为科学家已经证明核糖不稳定,即使在浓度很低的碱溶液中也会快速降解。过去,核糖的不稳定特性让很多研究者认为,第一个遗传分子可能不含核糖。但是本文作者里卡多和其他研究者发现了能使核糖稳定的方法。
核苷酸的磷酸根是另一个谜团。磷酸基团中的主要成分磷广泛存在于地壳中,但大部分存在于不易溶于水的矿物质中,而生命是从水中起源的。那么,磷酸根如何进入导致生命诞生的“原始汤”?科学家还不清楚。火山口处的高温可以将含磷酸盐的矿物转变成可溶性磷酸盐,但至少在现代火山中,释放出的磷数量很少。磷化合物的另一个潜在来源是磷铁镍陨石,在特定陨石上可以找到这种矿物质。
2005年,美国亚利桑那大学的马修·帕塞克(Matthew Pasek)和丹蒂·劳蕾塔(Dante Lauretta)发现,磷铁镍陨石(schreibersite)在水中的部分受到腐蚀后会释放出磷。这种途径看起来很有可能,因为陨石释放出来的磷比磷酸盐更易溶于水,也更易与有机化合物发生反应。
怎样组装
我们已知道至少一种可能得到碱基、糖和磷酸根的途径后,下一步就是将这三者合理地组装起来。但在过去几十年,这一步正是阻挡科学家前进的最大障碍。简单地将这三种成分混合于水中,它们并不会自发形成核苷酸——主要是因为每个连接反应都会涉及水分子的释放,而这种反应在水溶液中很难自发进行。要形成所需的化学键,就必须有能量供给,如在反应体系中加入富含能量的化合物。早期地球可能存在许多这样的化合物,然而在实验室中,这些分子只能启动低效的化学反应,在大多数情况下甚至完全不能启动反应。
今年春天,生命起源研究领域传出了令人振奋的消息。英国曼彻斯特大学的约翰·萨瑟兰(John Sutherland)和同事宣布,他们找到了一个似乎更可信的核苷酸形成途径,还回避了核糖不稳定的问题。萨瑟兰放弃了传统做法,不用碱基、糖和磷酸盐来制造核苷酸。他们的方法同样依赖于以前使用过的简单起始物质,如氰化物,乙炔和甲醛的衍生物。但与首先分别形成碱基和核糖,再将两者连接的做法相反,课题组将起始物质与磷酸盐混合。复杂的反应网络产生了一种名为2-氨基恶唑(2-aminooxazole)的小分子,可以把它看作糖分子的一个片段与碱基的一部分连在一起(见左图)的产物。在此途径的几个步骤中,磷酸盐起重要的催化作用。
2-氨基恶唑很稳定,它有一个重要特点:极易挥发。早期地球上,可能少量的2-氨基恶唑与其他化学物质一起形成在一个水池里,一旦水蒸发,2-氨基恶唑也随之挥发,在别处凝结为更纯净的2-氨基恶唑,成为一个原料库,为以后的化学反应做好准备:形成完整的糖和碱基,并连接在一起。
萨瑟兰的方法还有一个好处是,某些前期反应的副产品有利于后期反应的进行。不过,这种方法除了产生“正确”的核苷酸外,还会生成“不正确”的核苷酸:某些情况下,糖和碱基不能正确连接。令人惊讶的是,在紫外光下——强烈的太阳紫外光照射在早期地表浅层水域——会破坏“不正确”的核苷酸,留下“正确的”核苷酸。最终结果是一条异常清晰的C和U的组装路线图。当然,我们还需要得到G和A的组装路线图,因此挑战仍然存在。但在解释RNA如何在早期地球形成的问题上,萨瑟兰小组的工作迈出了一大步。
撰文 阿隆索·里卡多(Alonso Ricardo)
杰克·W·绍斯塔克(Jack W. Szostak)
环球科学 翻译 黄冰 审校 金由辛