誰才是地球的行星一號(hào)生命?

只有當(dāng)能繁殖或者說能自我復(fù)制的分子出現(xiàn)，地球上的生命才算真正開始。那么誰是生命1號(hào)?這是進(jìn)化史上的一大難題，但現(xiàn)在，科學(xué)家對(duì)此問題已有了答案。

　　40多億年前，宇宙中悄無聲息地發(fā)生了一件大事：圍繞一顆中等大小恒星旋轉(zhuǎn)的一顆新生行星開始冷卻。這顆行星上環(huán)境惡劣，在被隕石狂轟濫炸之后，又遭受火山爆發(fā)，大氣中充滿了有毒氣體。但與此同時(shí)，在它表面的海洋里，一件不同尋常的事情發(fā)生了——一個(gè)或者一批能自我復(fù)制的分子出現(xiàn)了。

　　能自我復(fù)制，這意味著生命可以代代相傳，這是進(jìn)化史上曙光初現(xiàn)的黎明時(shí)刻。一旦能自我復(fù)制的生命出現(xiàn)，自然選擇就開始發(fā)揮作用，很快，最早的單細(xì)胞生物出現(xiàn)了……接下去發(fā)生的事情就是現(xiàn)在整部史前史所述說的。

　　但是這件大事直到40多億年后才顯出它的重要意義來：宇宙最終孕育出人這種智慧生命，他們足夠聰明到會(huì)去思索：宇宙從哪里來?生命的本質(zhì)是什么?他們最早的祖先是什么樣子的?……等等這樣一些深?yuàn)W的問題。現(xiàn)在就讓我們來談?wù)撨@些話題中的一個(gè)：最早的能自我復(fù)制的生命是什么?

　　看來誰都不合適

　　生命之所以能夠代代相傳，離不開遺傳物質(zhì)。遺傳物質(zhì)又有兩種：雙鏈的DNA和單鏈的RNA。在生物學(xué)家眼里，DNA遠(yuǎn)比RNA重要，因?yàn)樯鼜?fù)制的最終目的是合成蛋白，如果說DNA是這個(gè)過程的指揮者，那么RNA僅只是個(gè)協(xié)助者而已。那最早出現(xiàn)的能自我復(fù)制者會(huì)不會(huì)就是DNA呢?一聽此話，科學(xué)家就忍不住搖起頭來。DNA太復(fù)雜了，包含上百萬個(gè)“零部件”，在現(xiàn)成的生命體內(nèi)，需要?jiǎng)佑煤芏嗟鞍踪|(zhì)才能合成。可是在地球上最早出現(xiàn)生命的時(shí)刻，這些蛋白質(zhì)“工具”顯然并不存在，——因?yàn)檫@些“工具”本身依然需要在DNA指導(dǎo)下合成——所以，離開了它們?cè)跄茉斐鲞@么一個(gè)復(fù)雜的DNA?用科學(xué)家的話說：“大自然自己制造出一個(gè)DNA分子的概率，等同于把所有飛機(jī)零部件攤在地上，然后來一陣龍卷風(fēng)讓它們自動(dòng)組裝出一架飛機(jī)的概率。”

　　既然DNA不可能，有人又提出可能是RNA：其一，RNA比DNA簡(jiǎn)單;其二，在一些最原始的生命體，比如某些病毒上，沒有DNA，卻有RNA。但這些理由其實(shí)也相當(dāng)脆弱，譬如說，RNA固然比DNA簡(jiǎn)單，但它也是分子量達(dá)上百萬的大分子，在自然條件下合成RNA，其難度也幾乎相當(dāng)于讓一陣龍卷風(fēng)組裝出1/2、1/3架飛機(jī)。

　　RNA占統(tǒng)治地位的世界

　　但到了1960年代，人們對(duì)RNA的看法開始改變，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，RNA鏈可以像組成蛋白質(zhì)的氨基酸鏈一樣折疊成不同的形狀。為什么這一點(diǎn)顯得特別重要呢?因?yàn)樵谟猩臋C(jī)體中，幾乎所有艱巨的工作，比如每秒數(shù)以億計(jì)的化學(xué)反應(yīng)，都是由蛋白質(zhì)來完成的，其中起催化作用的是一類叫酶的蛋白;而蛋白質(zhì)之所以幾乎無所不能，主要源于組成它的鏈能夠在空間扭曲、折疊成無窮多的形狀，每一種形狀對(duì)應(yīng)著一種蛋白質(zhì)。RNA鏈能折疊成不同的形狀，這意味著或許它也可以完成某些本該由蛋白質(zhì)完成的事情。

　　現(xiàn)代的RNA復(fù)制固然離不開各種蛋白質(zhì)的催化，而蛋白質(zhì)的合成又離不開RNA的參與，如果目光局限于這一點(diǎn)，我們難免又要落入類似“先有蛋還是先有雞”這樣的難題。但不妨設(shè)想：如果在生命之初，RNA一方面具有遺傳物質(zhì)的儲(chǔ)存信息功能，一方面又有蛋白質(zhì)酶的催化功能，“萬物皆備于我”，那么它即使在沒有蛋白質(zhì)的幫助下，也可以實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制。

　　這是個(gè)非常誘人的點(diǎn)子，但那個(gè)時(shí)候還僅僅是一個(gè)猜測(cè)，沒有人證明RNA能夠像蛋白質(zhì)一樣具有催化的功能。直到1982年，經(jīng)過幾十年的尋找，能起催化作用的RNA(底下稱RNA酶)總算找到了一個(gè)。自那以后，仿佛閘門被打開了，人們?cè)谟猩臋C(jī)體上發(fā)現(xiàn)了更多的RNA酶，在實(shí)驗(yàn)室里也人工合成了一些。

　　于是這樣一個(gè)假說被正式提了出來：地球上最早的生命應(yīng)該是一些能起自我催化作用的RNA分子。當(dāng)然，這里的“自我催化”需要從廣義上去理解，是針對(duì)不需要蛋白質(zhì)的幫助這一點(diǎn)而言的。具體說，則因?yàn)镽NA有多種折疊方式，意味著有多種RNA分子，“自我催化”可以是在甲R(shí)NA的催化下，乙RNA完成自我復(fù)制這種過程。

　人們搞清楚了細(xì)胞里“蛋白質(zhì)加工廠”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，證明了在這些“工廠”里，制造蛋白的第一道工序是由一種RNA酶來完成的——如果蛋白質(zhì)都是由RNA先制造出來的，那RNA毫無疑問出現(xiàn)在蛋白質(zhì)之前了。

自我復(fù)制不是問題

　　不過這個(gè)假說還有一些問題有待解決。第一個(gè)問題是，雖然我們已經(jīng)知道RNA可以催化，但還并不清楚是否能夠自我復(fù)制。如前所說，生命進(jìn)化到今天，DNA和RNA需要在很多蛋白質(zhì)的幫助下才能復(fù)制自己。如果歷史上曾經(jīng)有過那樣一些會(huì)自我復(fù)制的RNA，恐怕也早已無跡可尋了。生物學(xué)家必須在實(shí)驗(yàn)室制造出一個(gè)能夠自我復(fù)制的RNA來，才能證明此言不虛。

　　這個(gè)過程是艱難的，但迄今已經(jīng)取得不少進(jìn)展。比如2001年，英國科學(xué)家合成一種RNA酶，能夠連續(xù)拷貝自己的95個(gè)核苷，幾乎是自身核苷總數(shù)的一半。所以，生物學(xué)家離制造出一個(gè)真正自我復(fù)制的RNA分子或許已經(jīng)為期不遠(yuǎn)，我們應(yīng)該對(duì)此有信心。

　　但緊跟著還需要解決另一個(gè)問題：RNA在自我復(fù)制時(shí)所需的能量是從哪來的?

　　現(xiàn)在細(xì)胞里遺傳物質(zhì)的活動(dòng)，其能量都來自細(xì)胞的新陳代謝。而新陳代謝離不開大量蛋白酶的參與，可是一個(gè)挑刺兒的問題又來了：生命之初，沒有這些蛋白酶，怎么實(shí)現(xiàn)新陳代謝?你說RNA酶也能催化嗎，但它能催化的化學(xué)反應(yīng)類型看起來非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任一整套新陳代謝的工作。

　　這個(gè)問題在本世紀(jì)初也基本得到解決。人們發(fā)現(xiàn)了一些能行使特殊功能的分子團(tuán)，它們可以結(jié)合RNA酶一塊使用。這樣做有什么好處呢?打個(gè)比方，如果RNA酶是一把可換頭螺絲刀，那么這些分子團(tuán)就相當(dāng)于那些可換頭。RNA酶這把刀雖然只能擰開一種型號(hào)的螺絲，但因?yàn)榭蓳Q的頭很多，與它們合起來使，就可以擰開幾乎任何型號(hào)的螺絲了。

　　事實(shí)上，后來科學(xué)家在許多細(xì)菌上的確發(fā)現(xiàn)了與各種分子團(tuán)聯(lián)合起來使用的RNA酶。看來之前科學(xué)家低估了RNA自力更生的本領(lǐng)，它們能夠勝任制造能量的那些化學(xué)反應(yīng)。

　　這樣，這個(gè)假說的證據(jù)變得越來越充足了。

　　最早如何合成?

　　但這個(gè)假說依然面臨許多挑戰(zhàn)。我們來看科學(xué)家是怎么來對(duì)付這些挑戰(zhàn)的。

　　一個(gè)非常大而明顯的問題：你說RNA能自我復(fù)制，但前提是已經(jīng)存在那么一個(gè)RNA了;現(xiàn)在請(qǐng)問，最初的這個(gè)RNA又是從哪兒來的?

　　要回答這個(gè)問題，我們必須先來了解RNA分子的結(jié)構(gòu)。組成RNA分子的基本單位是核苷，一個(gè)核苷是由一份糖、一份堿基和一份磷酸鹽組成的。在活的細(xì)胞中，無數(shù)的蛋白質(zhì)酶參與了制造核苷并把它們連接成RNA分子的工作，但顯然在原始地球上并不具備這些酶，那兒只有粘土。

　　1996年，美國一位生物化學(xué)家證明，當(dāng)把核苷置于一種火山灰和海水的混合物中，長達(dá)55個(gè)核苷的RNA分子就可以自動(dòng)形成。這表明，如果在早期地球上存在大量核苷，那么RNA分子的形成就不是一個(gè)問題。

　　最困難的一步是如何合成核苷。雖然模擬早期地球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)證明，組成核苷的所有“部件”也能夠在自然環(huán)境中產(chǎn)生，但要是離開了特殊的蛋白質(zhì)酶的幫助，要把它們組裝起來幾乎是不可能的。

　　這個(gè)看似無法克服的困難讓許多生物學(xué)家紛紛猜測(cè)，RNA也許并不是最早的能自我復(fù)制的分子。在RNA統(tǒng)治世界之前，說不定還有別的“姓氏”的NA，它的分子跟RNA相類似，但組成它的“磚塊”卻比核苷更容易從自然界中產(chǎn)生。不過這些假說都無法回答一個(gè)問題：如果生命是通過這些方式產(chǎn)生的，但為什么現(xiàn)在沒留下任何痕跡?因?yàn)楝F(xiàn)在的遺傳物質(zhì)是DNA和RNA，而不是其它“姓氏”的NA。

　　與此同時(shí)，美國生化學(xué)家約翰?薩塞蘭德卻在頑強(qiáng)地解決核苷形成的難題。他意識(shí)到過去大家或許都誤入了歧途，他們看到在每個(gè)核苷上，都有一份糖，一份堿基和一份磷酸鹽，于是想當(dāng)然認(rèn)為把三者粘到一塊就萬事大吉，但事實(shí)上卻行不通。他另辟蹊徑，在沒有任何蛋白酶的幫助下，通過巧妙的辦法把核苷合成了出來。

　　當(dāng)然，整個(gè)事情還沒有徹底解決。RNA有4種不同的核苷，而到目前為止，薩塞蘭德僅僅制造出了2種。然而，他說離合成出其它2種也已經(jīng)很接近。如果他成功了，這將證明在早期地球上，自發(fā)地產(chǎn)生能自我復(fù)制的RNA是完全可能的。RNA也就當(dāng)之無愧是“生命1號(hào)”了。

　　“生命1號(hào)”在什么地方冒出?

　　這個(gè)假說其實(shí)還有許多問題留待解決。比如，最早的RNA是從地球的什么地方冒出來的?最早的生命看起來是什么樣子?后來在生命的進(jìn)化過程中，RNA把指揮復(fù)制的權(quán)力轉(zhuǎn)讓給了DNA，把催化的權(quán)力轉(zhuǎn)讓給了蛋白質(zhì)，這一切是怎么發(fā)生的?對(duì)于這些問題，有的我們可能永遠(yuǎn)也不能確切地知道，有的則已經(jīng)有了一些猜想。

　　比如，關(guān)于最早的RNA可能在哪兒出現(xiàn)這個(gè)問題，目前就有好幾種猜測(cè)。

　　一種猜測(cè)是，只要有粘土和水的地方，就可以產(chǎn)生出RNA。有科學(xué)家實(shí)驗(yàn)證明，早期地球的火山灰粘土有利于產(chǎn)生像細(xì)胞一樣有膜包圍的液囊，如果組裝RNA的“部件”全包圍在這么一個(gè)小液囊中，不讓它們零星分散，RNA產(chǎn)生的機(jī)會(huì)就可以大大增加。這樣一個(gè)含有能自我復(fù)制的RNA分子的液囊，雖然沒有現(xiàn)代細(xì)胞那么復(fù)雜，但能夠自我分裂、復(fù)制，已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)原始的細(xì)胞了。

　　還有一種大家比較熟悉的猜測(cè)，認(rèn)為生命始于海底熱液。那里是制造長鏈RNA的理想搖籃。

　　最近又有人提出一個(gè)奇妙的點(diǎn)子，認(rèn)為這一切最初或許發(fā)生在冰里。天文學(xué)家根據(jù)太陽的活動(dòng)猜想，生命在地球上剛開始的時(shí)候，太陽要比今天暗30%。如果地球大氣中不充滿溫室氣體，那么那時(shí)整個(gè)星球?qū)?huì)凍成一個(gè)冰球。在這種情況下，根本不可能有純液態(tài)水存在，只有高濃度的鹽水在冰晶之間流動(dòng)著(因?yàn)辂}水的冰點(diǎn)比純水低)。但寒冷不僅可以提高RNA的穩(wěn)定性，對(duì)于某些RNA酶，在冰里甚至比在水中工作效率更高。

　　就目前來說，我們還無法在這些猜測(cè)之間做出選擇，因?yàn)槠襁€沒有任何有關(guān)最早RNA的化石被發(fā)現(xiàn)。但我們可以期望在實(shí)驗(yàn)室重新制造出那個(gè)已逝的“RNA世界”，以此來證明它是怎么興起的。不遠(yuǎn)的一天，有人也許可以在一個(gè)容器中裝上一些原始的化學(xué)物質(zhì)，置于合適的條件下，然后看著生命從中涌現(xiàn)出來。