《科學(xué)》：生命起源之謎再掀新章！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)「RNA世界」假說新力證四種核糖核苷酸可在同一條件下產(chǎn)生

1、科學(xué)：生命起源之謎再掀新章！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)RNA世界假說新力證，四種核糖核苷酸可在同一條件下產(chǎn)生40億年前的地球是什么樣？如果Thomas Carell是對(duì)的，那么那會(huì)兒的地球表面應(yīng)該覆蓋著厚厚的灰棕色礦物。那不是普通的巖石，而是各種有機(jī)物的混合體，其中包括我們現(xiàn)在用四個(gè)字母AUCG來稱呼的堿基。理論上，在古地球劇烈變動(dòng)的環(huán)境中，它們將很快組合成為RNA地球生命的雛形。近日，科學(xué)雜志刊登了一項(xiàng)來自德國有機(jī)化學(xué)家Thomas Carell團(tuán)隊(duì)的科研成果，研究者們證實(shí)了一條化學(xué)合成途徑，可以由古地球的環(huán)境條件及簡(jiǎn)單的無機(jī)底物同時(shí)產(chǎn)生四種RNA核苷酸。該過程不需要復(fù)雜的分離和純化，即可產(chǎn)生關(guān)鍵的生命組分

2、，可以說為生命起源的RNA世界假說增加了最有力的證據(jù)【1】。四種核苷合成的示意圖先讓我問個(gè)問題，生命是怎么來的呢？簡(jiǎn)單粗暴地借達(dá)爾文大爺之口，進(jìn)化來的。但逆著達(dá)爾文進(jìn)化向過去追溯，在40億年前的那個(gè)充滿了有毒氣體、火山噴發(fā)而毫無活物的古地球上，竟然能夠誕生生命，真的足夠稱得起一句奇跡了。在科學(xué)尚且蒙昧的年代，人類對(duì)生命起源的認(rèn)識(shí)于今天看來是有些可笑了。直到19世紀(jì)初期，大多數(shù)人都還相信，生命是從無生命的物質(zhì)中自發(fā)產(chǎn)生的。這個(gè)觀點(diǎn)是由亞里士多德提出的，畢竟很多觀察到的現(xiàn)象看上去就是，糧倉里自動(dòng)“長(zhǎng)”出了老鼠，腐爛物質(zhì)中“生”出了蛆蟲。當(dāng)然了，幾百年間有很多科學(xué)家提出反對(duì)意見，最終扣下致命一擊的則

3、是著名的微生物學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）。1861年，經(jīng)過一系列精密的實(shí)驗(yàn)，巴斯德證明，經(jīng)過高溫殺菌的培養(yǎng)基中并不能自發(fā)生長(zhǎng)出真菌和細(xì)菌。也就是說，生命并不是簡(jiǎn)單地“從無到有”的。那么從科學(xué)的角度看，生命是如何產(chǎn)生的呢？不得不感慨，達(dá)爾文大爺對(duì)生命和進(jìn)化的認(rèn)識(shí)十分超前。1871年，在寫給胡克的一封信中，他提到了一個(gè)“溫暖的小池塘（warm little pond）”。在他的猜想中，這個(gè)“池塘”里有著各種氨、磷酸鹽、光、熱、電，這些條件足以發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生生命的基礎(chǔ)。It is often said that all the conditions for the first

4、 production of a living being are now present, which could ever have been present. But if (and oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sort of ammonia and phosphoric salts,light, heat, electricity present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo

5、still more complex changes, at the present such matter would be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed . Charles Darwin, Letter to Joseph Dalton Hooker on February 1,1871隨后，這個(gè)簡(jiǎn)單的猜想得到了其他科學(xué)家的完善。蘇聯(lián)生化學(xué)家Alexander Oparin和英國科學(xué)家John Haldane分別在

6、1924年和1929年提出了“原始湯（Primordial Soup）”的概念。依據(jù)這個(gè)理論，幾十億年前，碳、氫、氨、水蒸氣等無機(jī)物通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了地球上第一批有機(jī)化合物，其中就包括糖、蛋白質(zhì)等構(gòu)成生命的物質(zhì)。這個(gè)觀點(diǎn)也很快有了實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。1953年，滿懷好奇心的博士生Stanley Miller說服了自己的導(dǎo)師Harrold Urey，完成了名留青史的Miller-Urey燒瓶實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩位科學(xué)家用燒瓶模擬了古地球的環(huán)境條件，親眼見證無機(jī)的“海洋”里自發(fā)產(chǎn)生了多種有機(jī)化合物，包括氨基酸。當(dāng)然了，到這里為止，科學(xué)家們還只是證明了有機(jī)物是如何產(chǎn)生，它們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上是生命。米勒的燒瓶

7、地球生命是什么？這個(gè)問題可太大了，我解釋不了，但是我們可以嘗試給生命提取一些特征。至少，生命一要能夠保留遺傳信息，二要能夠進(jìn)行一定的生命活動(dòng)?，F(xiàn)在讓我們來捋一捋各種熟悉的大分子們，是誰能夠擔(dān)起生命萌芽的重?fù)?dān)呢？1962年，Alexander Rich最先提出了“RNA世界”的概念，這個(gè)假說后來也得到了兩位諾獎(jiǎng)得主克里克和Walter Gilbert的支持。我們當(dāng)今的生物世界以中心法則為核心，RNA僅是信息傳遞的一個(gè)中間體；但在RNA世界假說中，RNA才是那個(gè)絕對(duì)的C位，既沒有蛋白質(zhì)也沒有DNA的遙遠(yuǎn)年代，RNA一肩挑起自我復(fù)制和催化化學(xué)反應(yīng)兩項(xiàng)重?fù)?dān)，是生命誕生的第一道曙光。如果RNA世界就是真

8、相，那么可想而知，“燒瓶地球”中應(yīng)當(dāng)能夠自發(fā)產(chǎn)生四種核糖核苷。但是在這里，科學(xué)家們卻遇到了困難。難的并不是“從無到有”。事實(shí)上，這個(gè)問題科學(xué)家們?cè)缇徒鉀Q了。2009年，一組科學(xué)家成功找到了U、C兩種堿基核苷的合成通路；2016年，Carell團(tuán)隊(duì)也破解了A、G的化學(xué)反應(yīng)過程。但是呢，這兩個(gè)途徑的溫度、pH等條件完全不兼容。如果不能同時(shí)產(chǎn)生四種核糖核苷，那也沒意義呀！今天要說的這篇研究呢，就是Carell團(tuán)隊(duì)奮斗3年（也不一定就是3年），用同樣思路解決了U、C核苷合成的故事。與嘌呤核苷的合成思路類似，研究者們?cè)诨旌戏磻?yīng)中生成了一個(gè)帶雜環(huán)的嘧啶前體，讓它與反應(yīng)生成一種非天然核糖核苷。在特定催化劑的存在下，雜環(huán)部分重排，就產(chǎn)生了我們熟悉的U、C兩種嘧啶核苷。當(dāng)然了，合成途徑利用到的干濕循環(huán)條件和起始原料都是符合古地球環(huán)境的，整個(gè)反應(yīng)也不需要分離純化中間產(chǎn)物，名副其實(shí)的“一鍋煮”。合成通路和條件變換以現(xiàn)在的眼光來看，這一系列化學(xué)反應(yīng)并不復(fù)雜，條件也不苛刻。Carell認(rèn)為，這說明R