地球生命的起源是先有RNA還是先有DNA?

2021-01-16 Science科學

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生命的起源一直以來都是個未解之謎，從無到有的關鍵究竟是什麼？原本只存在非生物化學過程中的地球，是如何在過去45億年間哺育出了會呼吸、會奔跑、會思考的生命體？

研究至今，我們大概知道DNA是生物的基板，因為DNA帶有構建、操作生物體的各種遺傳訊息，而RNA則充當信使分子，從DNA分子那裡複製遺傳指令，然後傳遞到稱為核糖體的細胞分子工廠，當這座工廠讀取RNA遺傳信息後，便開始合成特定蛋白質。如今，我們已知所有機體都是使用的同樣的遺傳分子來存儲信息，也就DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）。但是具體是誰先開啟了地球上的生命，科學界已為此爭論已久。

近期，一項發表在頂尖學術期刊《Nature》（自然）上的研究報告首次通過實驗表明，生命在創始之初，DNA和RNA的基本構件可以同時形成和共存於地球的原始「化學湯」中。

四十億年前，地球的原始化學湯中開始出現後來發展出生命的大分子。儘管科學家們對於這些生命分子的具體成分還在進行激烈爭論，但他們一致認為這些分子應該承擔兩項重要的功能，即：存儲信息和催化反應。在現代生物的細胞中，這兩項任務分派給了DNA和蛋白質，當下，生命起源研究和生物課本的主流觀點則認為，這兩項任務最初都是由RNA完成，隨後DNA和蛋白質接管鋪平道路。不過RNA學說一直以來就存在兩個疑點，一是RNA真的能靠一己之力承擔起全部生命功能？二是它是在早期地球上形成的嗎？近日，劍橋醫學研究委員會（MRC）分子生物學實驗室（LMB）的一項工作則再次挑戰了關於生命起源的主流假說——「RNA世界」理論，雖然該理論產生於上世紀60年代，並被學界所廣泛接受。

在該研究中，研究者用超算模擬了原始地球上的淺池條件。首先形成RNA的化學物質溶解在水中，隨後模擬乾燥和加熱環境，以此模擬出暴露於早期太陽輻射下的原始環境。

在這場對早期地球化學環境的模擬再現過程中，合成兩種RNA基本組成部分的中間體同時也轉化為了DNA的兩種基本組成部分。具體而言，核酸的四種基本構件，可以自相同條件及反應物中產生：胞苷（cytidine，C）和尿苷（uridine，U），是兩種RNA的組成部分；脫氧腺苷（deoxyadenosine，dA），是DNA的組成部分。脫氧腺苷部分轉化為脫氧肌苷（deoxyinosine，dI），是另一種DNA構件。

模擬早期地球化學的實驗產生了2種核糖核酸構件和2種脫氧核糖核酸構件

「至關重要的是，兩種DNA核苷可以與U和C形成鹼基對。」《自然》刊發的評論指出，「因此，U、C、dA和dI構成了一個完整的遺傳字母表。」這也可能是原始地球上最初的遺傳字母表。

「RNA世界假說認為：生命始於RNA，後來發生了遺傳替代——包括原始生物合成機制和自然選擇——結果產生了DNA。」 領導此項工作的科學家John Sutherland教授說，「我們的工作表明，在與原始淺池一致的條件下，混合有RNA和DNA基本成分的遺傳系統在生命的黎明是共存的。要讓生命在地球上自發出現，這滿足了一個很多人視作關鍵的前提。」

研究人員相信，這四種構件在生命演化出來以前已經共存，是原始遺傳字母表的開端。Sutherland教授補充道：「核酸——RNA和DNA——互有關聯，這項工作表明它們是從某個混合先祖分化而來，而不是一個產生另一個。」

「遺傳信息總是從核酸到蛋白質而不是反之，這被稱為分子生物學的『中心法則』。因此我們現在需要做的是搞清楚：核酸存儲和傳遞的那些信息，一開始如何被用於製造蛋白質。」

在自然界中，一定存在著一條連接「原始化學湯」與「遺傳密碼」更好的捷徑。理解地球生命的化學起源，是人類自然科學的基礎，並且能為未來合成生物學設計帶來啟發。MRC分子和細胞醫學部門主管Megan Dowie博士評論說，「這項研究表明，無法立即得到應用的所謂『藍天研究』能揭示生命起源之初的迷人見解，也展現了支持基礎研究的重要性。生命科學的這類基礎性發現，將使人工生物學激動人心的未來戰略成為可能。」

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