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第六章 地球自发生命的起源（第2页）

RNA生物演化的核心

在生命进化学上，DNA的前身RNA被认为是最先出现在地球上的。在地球早期的原核细胞中，RNA是遗传中心，随着不断进化，现在除一些病毒外，大多数生命利用DNA（脱氧核糖核酸）存储信息，利用RNA（核糖核酸）执行由DNA编码的指令。

RNA不仅可以是遗传信息的载体，还可以当作化学反应中的功能分子。研究生命起源的科学家们一直认为，RNA既能存储遗传信息又能充当生化酶，使其成为一个可以开启生命的理想分子。因此，RNA是地球上最先出现的遗传物质，在RNA之后地球上才开始出现DNA和蛋白质。在细胞中传递DNA信息合成蛋白质的核糖体是RNA与蛋白质的合成体，在核糖体（rRNA）亚基的重组实验中已发现，其蛋白质和RNA同样是按一定顺序并协同地自装配的。这说明在早期有机分子向细胞进化过程中，核糖体这样的分子扮演了初期生命功能，RNA与蛋白质能够自己结合，自我协调并装配。

某些RNA分子能够折叠成复杂的形状并具有催化功能，具有酶的活性，RNAi（RNA干扰）等现象证明RNA在基因表达调控中具有重要作用。当约400个核苷酸的RNA单独存在时，也具有完成切割rRNA前体的功能，核酶可以识别底物RNA的特定序列，并在专一性位点上进行切割，核酶的功能很多，有的能切割RNA与DNA，有的还具有RNA连接酶、磷酸酶等活性。逆转录酶帮助某些病毒中的RNA能以RNA为模板逆转录成DNA。除了逆转录酶外，一些核酶属于限制内切酶，当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源DNA在细菌细胞内的表达。一些小RNA在细胞生长和发育过程的调节过程中起多种作用。

RNA与DNA只差一个碱基，RNA的碱基配对规则基本上和DNA相同，RNA一般为单链长分子，但水溶液中会形成分子内双螺旋结构，这意味功能广泛的RNA进化到专注的DNA不存在难度。RNA本身通过碱基配对原则可形成一定的二级、三级结构来行使生物学功能，这为RNA分子作为酶的催化加速有机物质之间的信息流通提供了方便。核糖体是细胞内合成蛋白质的组装厂，在真核生物细胞中，一般含有百万到千万个数量的核糖体。核糖体的是在超过200种蛋白质的协同下，4种rRNA和约80种核糖体蛋白按照1。5∶1的比例捆绑、组装在一起形成的。

在细胞外，组成核糖体各部分能够自我组装说明蛋白质与RNA分子在生命形成前就能够协调合作，在以后的进化中，遗传分子的基础单位核小体（DNA与蛋白质的结合体）更专注替代RNA与蛋白质进化的结果。RNA更擅长储存信息，蛋白质更擅长外在功能表达。

多个核糖体能够共同翻译同一条mRNA，核糖体在无细胞系统中可直接利用DNA作为模板合成蛋白质，小分子RNA同蛋白质组成的核糖体蛋白颗粒，它们参与RNA的加工、RNA的编辑、基因表达的调控等。核糖体具有参与DNA修复、细胞发育调控和细胞分化等核糖体外功能。

在几十亿年前，还没有形成生命的地球，海洋、池塘、泥火山、地下、潮湿的环境，这些容易形成有机分子原始汤的地方，有机分子是比较多的，这些有机分子就是构成生命细胞有机分子的前身基础分子。在这样环境中，RNA分子与蛋白质的前身是比较容易结合形成的，因为蛋白质、RNA等有机分子在细胞外自然环境中，比较容易自己组合折叠。

早期的RNA也许不像现在的RNA一样完备，RNA的前身可能含有其他分子，RNA的前身可能是经过长期进化，才演变成现在的样子，地球上的生命最初可能由几种有机物质混合组成。2012年01月，美国科学家表示，结构更简单的TNA也具备RNA的某些功能，美国亚利桑那州立大学的约翰—恰普特和同事已经制造出一个TNA分子，它能折叠成三维形状并夹有一个特殊的蛋白。这些是制造出一个能像RNA一样控制化学反应的TNA酶的关键步骤。他们让TNA的各个组成成分在有一种蛋白参与的情况下进化：三代之后出现了一个TNA，拥有一个像酶一样复杂的折叠形状，而且能与该蛋白结合。TNA与RNA、DNA的不同之处在于构成核苷酸的糖链不同，构成TNA的糖链为四碳糖苏糖；而RNA为核糖，DNA为脱氧核糖。TNA具备一个关键的优势：它是比核糖和脱氧核糖更小的分子，因此更容易形成。恰普特认为，这并不意味着TNA是最初的遗传物质，早期地球的化学过程非常凌乱，最可能出现的场景是生命由不同的遗传物质混合而成。

随着生命的进化，DNA专职替代了RNA的功能，蛋白质更加完善，并且独立出来执行更多的细胞骨架及保护功能。细胞出现之前的环境中，RNA等有机分子本身也是在进化与完善，随着当时生命的细胞还没正式的出现。

RNA分子的一个区室化过程

如果进化成真正的细胞，RNA分子世界需要一个区室化过程，也就是说RNA不仅必须被分割区分开，而且要被固定起来装载足够的信息量。这种封装过程需要发生在一个足够小的空间中，这个空间和现在的细胞结构相似。最简单的事实就是分子与分子之间必须依靠在一起，进而发生化学反应。

2012年10月，美国宾夕法尼亚大学的研究者用聚合物的大分子创造了一种由RNA构成的类似原始细胞的结构模型。该研究团队在实验室中制造了一种无生命的细胞模型进行相关研究。他们的团队用聚乙二醇和葡聚糖准备了一种溶液剂，这些溶液剂形成了明显的富含聚合物的水体，在这种环境下RNA分子可以自然聚合。

研究团队发现，一旦RNA被封

装进富含葡聚糖的隔室中，分子就会自然链接，继而发生化学反应。

而且RNA分子随着浓度的增加，化

学反应的速率加快了约70倍。这说明在早期环境中，有机分子本身能够形成细胞结构，自己聚合，这些像细胞空间的分隔机制在地球早期环境中起到了催化剂的作用。研究团队还发现了这样一个现象：RNA

链越长，在溶液剂的浓度也就越

大。

在地球早期环境中的原始有

机分子汤中，类似细胞的区室化过程，可能属于多层区室化，这样就会为早期的生命形成塑造更好的环境，甚至生命的开始不是单独细胞的形成，也有可能是多族细胞的共生，这样细胞形成的开始就为多细胞生物的诞生打下了基础。

单独的蛋白质可以形成具有传

染性的朊病毒，单独的RNA也可以

成为具有传染性的类病毒。噬菌体是一种病毒，专门侵蚀细菌或者细胞，在细菌或者细胞外，不具有生命的任何特征，不能复制、传播、不具备活力。但是一旦接近目标，就会吸附在目标体上，把蛋白质外壳留在外面，并把自己的RNA注入细菌或者细胞体内，依靠寄主目标体内的物质进行复制、传播。这些病毒在细胞外是结晶体，不能定义为生命。但现代科学在创造环境下，也终于发现病毒能够在细胞体外复制。这些病毒突破了传统生命学的意义，却涉及生命起源的逻辑。

在另一个例子中，日本研究人员利用类似界面活性剂的分子、催化剂以及水制成双层膜，把混有从大肠杆菌提取的DNA（脱氧核糖核酸）和DNA合成酶的水注入双层膜，让膜包裹着含DNA的水，形成外观像细胞的直径1~10微米的球体。

通过让球体内**的温度升高至95℃再下降到65℃。在不断重复这种温度变化的过程中，加上酶的效用，DNA成功复制，经过20次反复，DNA增加至100多万倍。DNA增加后，再添加制作膜的有机化合物，部分DNA就附着到双层膜内壁，人造细胞开始膨胀，约4分钟后如同天然细胞分裂一样从中间断裂，形成新细胞。在实验中一个人造细胞能分裂出8~10个细胞。在这种实验中，即使使用人工合成的DNA，人造细胞也能实现同样的增殖。

区室化分割是生命细胞形成的一个必然条件，但是形成细胞并不太难。实验表明，在自然状态下，构成细胞外层的膜脂都是两性物质，都具有亲水的极性头和疏水的非极性的尾，大多数磷脂和糖脂在水溶液中能够自动形成双分子层结构。当这些兼性分子被水环境包围时，它们就聚集起来，将疏水的尾部埋在里面，亲水的头部露在外面与水接触。可能有两种形式：一是形成球状的分子团，把尾部包在里面；二是形成双分子层。

在地球早期环境中的原始有机分子汤中，类似细胞的区室化过程，可能属于多层区室化，这样就会为早期的生命形成创造更好的环境，甚至生命的开始不是单独细胞的形成，也有可能是多族细胞的共生，这样细胞形成的开始就为多细胞生物的诞生打下了基础。

细胞的形成

构成细胞外层的膜脂在水溶液中能够自动形成双分子层的球状分子团，对于细胞来说有活性的有机物分子外面形成一个区室性膜状结构并不困难。但是正如酶的结构一样，无论是无极物质还是有机物质，不同的结构就会拥有不同的性质。拥有一个膜状结构对于生命细胞的形成与进化具有决定性的作用，一个区室化的膜状结构会让细胞内那些有活性的有机物质形成一个独特的物理或者化学特性。他们能够协调、记忆、组装、运动、分工合作，无论这种膜状结构在生命形成的开始是否有现在的膜脂组成。英国格拉斯哥大学的李·克罗宁利用钨（占大多数），氧、磷混合形成的多金属氧酸盐在溶液中混合，让其自我组装成了像细胞一样的球体，使其拥有一些天然细胞膜的特征，并在其气泡内创建出了模拟生物细胞内部结构的分隔。他们朝气泡填充物质，通过让一些氧化物分子与感光染料结合来进行光合作用。研究结果表明，它制造出一个膜，当其受到光照时，可将水分解成氢离子、电子和氧，这就相当于光合作用的第一步。在之前克罗宁早已证明，可让多金属氧酸盐彼此互为基质来实现自我复制。

朊病毒是蛋白质病毒，具有传染性，颠覆了从DNA到DNA遗传传统观点。类病毒是一种裸RNA分子，也具有传统性。噬菌体病毒专门侵蚀细菌或者细胞，只有在接近细菌或者细胞的时候，才能够表现出活力。但是在细菌或者细胞体外，不具有生命的任何生命活力特征。这些病毒很多在细胞体外很多时候不被定义为生命体，属于结晶体。一些科学家发现，病毒能够在淋巴液中，豚鼠角膜组织等显示出活性，牛痘苗病毒正是在切碎的母鸡肾脏悬液中进行培养的，这些病毒突破了生命的定义，对生命起源的有机分子过渡却有了积极的意义。

部分病毒有自己的核酶，但还是要依靠细胞里面的环境才能够完成复制。

不过2010年英属哥伦比亚大学（UBC）研究者发现了一种世界上最大、最复杂的海洋病毒——Cafeteriarensis病毒，这种大分子病毒，能够部分合成自己的蛋白质。这个发现模糊了生命与物质之间的逻辑。该病毒携带了令人难以置信的约73万个脱氧核糖核酸（DNA）碱基对，其中包括超过500个类似于基因的区域。这种病毒的基因组比一些细胞生物的基因组还大，它的遗传复杂性使科学家感到疑惑，不知道该把它归为“无生命”生物，还是“有生命”生物行列。一般认为病毒都很小，是简单生物体，只有少量基因。然而在这种病毒里发现的大量遗传机制，只能在有生命的细胞生物体里找到，它们需要很多基因才能产生DNA、RNA、蛋白质和糖。

一般情况下，病毒在活宿主细胞外无法自我复制，它们需要利用宿主提供的蛋白质进行复制，自我复制形式是区分“无生命”和“有生命”生物的分界线。

然而最新发现的这种巨型病毒却对上述归类标准发起了挑战，它们虽然仍需要一个细胞进行复制，但它们是在自己的基因组里进行编码的。这种病毒拥有大量基因，这些基因通常被活细胞用于修复它们的DNA损伤以及合成蛋白质和糖。它还拥有编码病毒复制需要，但是必须从宿主生物那里获取的一些蛋白质的基因。

科学家一般不会把病毒划归为活的生物体，这是因为病毒无法独立复制，但是像这样的巨大病毒——具有它们自己的蛋白质合成机制以及其他通常在活体细胞中才能够完成的功能——模糊了什么是活的有机体以及什么是非生命之间的界限，而且病毒能够在细胞外面进行培养，这些都说明了在原始生命进化中，像大病毒这种前生命物质，完全可以在有机物种完成向细胞生命的全进化过程。

在深海中有一种类似水母的动物。把它放在显微镜下观察，会发现它并不是“一种”动物，而是无数单细胞生物的集体。这些细胞各有分工，有的负责运动，有的负责捕食，有的负责传送养料。蚂蚁和蜜蜂的集体劳动也是分工合作。

在细胞内部，各种有机分子也是精密分工合作的，在多细胞生物体中，有机分子能够在细胞外完成自己的分工任务，为整个多细胞体服务。在细胞形成前的大有机分子时期，在一些地方把各种有机分子聚集一起，就会自然合作机制，有的扮演原始的细胞膜的作用，有的负责吸收能量，有的负责分配能量，有的负责记忆，这样一个原始形态的生命世界就会出现在地球上，而且这种生命的诞生不会是独立的，而是普遍的，甚至多样性。从生命的一开始，多细胞生物就可能共同出现了。

对于生命的演变来说，没有细胞前的地球，有机分子在形成细胞前，正如病毒一样，已经具有生命的活性。