进化之根:地球生命的起源

2013-09-06 | 作者: | 标签: 进化之根 地球生命的起源


图nature.com
 
大量的文字如涌泉一样从查尔斯•达尔文的笔下流淌出来。他的著作涵盖范围广泛,从船底附着的甲壳动物到兰花,从地质学到动物驯化。同时,他把自己沉思默想的东西都写在了笔记本上,还潦草地写了几千封信,信中写的是对自然的观察和推测。然而,达尔文只把他浩如烟海的文字记述的很少一点留给了生物学中最大的问题之一:生命是如何开始的。

在出版的《物种起源》接近结尾的部分,达尔文写道:“或许曾在地球上生活过的所有的生物体都起源于某一个原始的形式,这个原始的生命形式发展成最初的可进行呼吸的生命。”

达尔文认为,生命可能是自发地从组成它的化学物质中出现的,如碳、氮和磷。但是,他没有把这些沉思的东西发表出来。这位英国博物学家建立了他的进化的观点,在生命的大部分进程中,他都在观察周围的事物。达尔文认为,在他生活的那个时代,不可能明白生命是如何起源的,那是因为已存在的生命将阻碍生命起源真相的出现。

1871年,达尔文将这个问题概括了一下,给他的朋友、植物学家约瑟夫•虎克(英国著名植物学家——译者注)写了一封信。信中写道:“但是如果(哦,这是多大的一个‘如果’!)我们能设想一下,在某个温暖的小池塘里,有各种铵盐和磷酸盐,光,热,电等,一个蛋白质化合物用化学方法形成了,它随时都可经历更加复杂的变化。在今天,这种物质将被立即吞食或吸收掉,但在生物体形成之前,这种情况将不会发生。”

今天研究生命起源的科学家们不用再分享达尔文的悲观情愫了,我们已有能力重建那些地球早期的情景了。英国曼彻斯特大学的化学家约翰•萨瑟兰说:“现在是做这项研究的好时候,因为成功的希望比以往都要大。”他和其他人正在研究涉及向生命转变的每一个步骤:原材料来自哪里,复杂的有机分子(如RNA)是如何形成的,以及第一批细胞是怎么出现的等。就这样,他们在从头制造生命的道路上缓慢前行。“当我读研究生时,人们认为研究生命的起源是老科学家在他们职业生涯的尾声做的事情,那时他们可以坐在扶手椅上沉思。”华盛顿卡耐基研究所的詹姆斯•亨德森•克里弗斯说,“现在制造人工细胞听起来不再像是科幻小说了,它是一项理性的工作。”

原材料

生命——或至少我们认为的生命——似乎只在地球上出现过一次。例如,几乎所有的生物体都用双链DNA来编码遗传信息。它们把基因转录成RNA,再把RNA翻译成蛋白质。生物体用来把DNA最终转变为蛋白质的遗传密码是相同的,不管它是食火鸟(学名鸸鹋,特产于澳大利亚,是澳大利亚的国鸟——译者注)还是面包霉。对此现象的最简单解释是,所有的生物体都从一个共同的祖先——即生活在35亿多年前以DNA为遗传物质的微生物——那里继承了这套遗传密码。那个共同的祖先已经是相当复杂了,很多科学家都想知道它是怎样从一个比它更简单的祖先进化来的。一些科学家现在争论说,只含有RNA的被膜包围的细胞,要比既含有DNA又有蛋白质的细胞出现得早。后来,以RNA为基础的生命可能进化出了将氨基酸组装成蛋白质的能力。从生物化学的角度来讲,从RNA进化出DNA是一小步。

在现代的细胞中,RNA的“多才多艺”引人注目。例如,RNA能“感觉到”细胞内各种化合物的水平,并开启或关闭一些基因来调节这些物质的浓度。它还能把氨基酸连接在一起,而氨基酸是构成蛋白质的基本单位。因此,地球上出现的第一批细胞可能就选择了RNA来完成维系生命所必需的一切工作。

60年来,研究人员一直在完善有关氨基酸和RNA基本成分的来源的理论。随着时间的推移,他们的想法日臻成熟,对早期地球的面貌的理解也越来越清楚。

1953年,芝加哥大学的斯坦利•米勒做了一个著名的实验:在一个密闭的容器里,充满氨气、甲烷和其它气体,然后进行火花放电,对这些气体电击。实验结束后,容器里产生了一些富含氨基酸的粘性物质。根据这个实验结果,米勒指出早期地球上的闪电能够制造出许多化合物,这些化合物后来将被“装配”成生物体。

不过,到了20世纪90年代,积累的证据表明早期地球被二氧化碳笼罩着,还有少量的氮气——米勒的实验容器中并没有这两种气体。于是,科学家们在混合气体中加入了二氧化碳,重复了米勒的实验,但是几乎没有生成氨基酸。他们推断,产生生命的原材料应该来自别的途径。

但是,2008年闪电实验再次开始显露出希望。克里弗斯和他的同事怀疑,实验失败是设计缺陷导致的,缺陷在于放电可能产生了破坏新形成的氨基酸的含氮化合物。当他们在实验中增加了能吸收这些含氮化合物的缓冲试剂时,产生的氨基酸比科学家原先得到的多几百倍。

克里弗斯猜想,闪电是早期地球上生成有机化合物的唯一途径。落到地球上的陨石也含有氨基酸和有机碳分子,如甲醛。早期地球上的热液喷口喷出了可能被纳入地球上第一批生命形式的其它化合物。因此,产生生命的原材料不再是一个争论点了。他说:“真正的障碍在于,你如何把这些有机物组合在一起,形成一个有生命的系统。”

步骤1:制造RNA

RNA分子是一条由彼此连接的核苷酸组成的链。每个核苷酸分子依次包括3部分:一分子碱基(在基因“天书”中,碱基起“字母”的作用),一个糖分子,一分子磷酸。磷酸与下一个核苷酸的糖分子连接在一起。多年以来,研究人员尝试着通过制造糖分子和碱基,把二者连在一起,然后再加入磷酸盐的方法合成RNA,但结果是徒劳的。“合成出来的RNA不起作用。”萨瑟兰说。

失败让科学家思考另两种关于RNA是如何形成的假设。克里弗斯和其他研究者认为,基于RNA的生命可能是从使用一种不同的遗传物质的生物体进化来的,而这种“不同的遗传物质”在自然界已无法找到。目前化学家已能够用别的化合物来构建核苷酸骨架。他们现正在研究这些被称为“PNA”和“TNA”的人造遗传分子,是否在早期地球上能比RNA更容易出现。根据这一假设,后来RNA进化出来,取代了早期的遗传分子。

但是,RNA没能成功合成出来,科学家们还考虑了另一种假设。“如果你想从波士顿去纽约,现在有一条明显的路可走。但如果你走这条路不能到达纽约,那还有别的路可走。”萨瑟兰说。他和同事们一直致力于用简单的有机分子(如甲醛)来构建RNA,生命出现之前地球上就有甲醛了。他们在制造RNA的道路上取得了较好的进展,把组成糖的成份和组成碱基的成份结合在一起制造RNA,而不是首先分别制造出完整的糖分子和碱基。

在过去的几年里,他们已经证明了从生命起源以前的分子到RNA的几乎一条完整的路线,现正准备发表更多的实验细节。这些新反应的发现使萨瑟兰猜测,RNA直接从早期地球表面的有机溶液中产生,并非一件难事。“我们已在自己的能力范围内得到了这些分子。”他说。

萨瑟兰还不能确定无疑地说出这些反应发生在早期地球的什么地方,不过他指出,合成的RNA在(地球早期)池塘里的温度和pH值条件下状态良好。如果那些池塘暂时干涸了,这样会使核苷酸得到浓缩,为生命出现创造了更有利的条件。

这些难道就是达尔文说的温暖的小池塘?“有可能达尔文的想法并不离谱。”萨瑟兰说。

步骤2:细胞

如果生命的确是从RNA开始的,那么RNA将需要在没有蛋白质帮助的情况下自我复制。本周《科学》在线发表了一项研究,加州圣地亚哥斯克利普斯研究所的特蕾西•林肯和吉罗德•乔伊斯的实验已表明,这种情形如何是可能的。他们设计了一对RNA分子,这对RNA分子连接在一起,靠核苷酸松散的配对彼此聚集。一旦RNA复制完成,旧的RNA分子和新的RNA分子就会彼此分开,分别与新的RNA连接在一起,形成新的一对RNA分子。经过30个小时,林肯和乔伊斯发现,RNA分子的数量能增加1亿倍!

林肯和乔伊斯的RNA复制实验是在烧杯中进行的。但是,在早期的地球上,RNA复制可能是在第一批细胞中进行的。地处波士顿的哈佛医学院的杰克•佐斯塔克及其同事一直在研究,早期地球上脂肪酸和其它的分子是如何捕获了RNA,产生了第一批原始细胞的。“我们的目标就是,只用化学的方法,得到能够自我复制的东西。”佐斯塔克说。

20年后,佐斯塔克及其同事得到了能构建其它较短RNA分子拷贝的RNA分子。他们以某种特定的方式将RNA和脂肪酸混合在一起,RNA就可以被捕获进囊泡中。这些囊泡能把脂肪酸添加到它们的膜中并生长。2008年7月,佐斯塔克报道,他已弄清楚了原始细胞是怎样“进食”的,以及如何引入核苷酸来制造RNA的。

所有的活细胞都依靠复杂的通道以使核苷酸穿过其膜,这就产生了一个问题,即原始的细胞膜是如何引入这些分子的?通过用各种不同的膜进行实验,佐斯塔克及其同事发现原始细胞有较大的漏隙,足以让核甘酸“滑”进去;在原始细胞里,这些核苷酸能装配成RNA,但是较大的RNA分子无法滑出细胞,因为漏隙太小。

他们的实验还显示,这些囊泡的生存温度范围约为100 °C。在较高的温度,原始细胞会快速吸收核苷酸;在较低的温度,佐斯塔克发现,它们能更快地制造RNA分子。

他推测,有规律的温度循环应有助于简单的原始细胞在早期地球上存活。当温度稍高时,它们能吸入核苷酸;当温度降低时,它们就用核苷酸制造RNA。在佐斯塔克的原始细胞中,核苷酸沿着RNA的一个模板排列。较低温度时RNA的两条链倾向于粘在一起。当原始细胞再次升温时,热可能导致RNA的两条链拆开,这样就能使新的RNA分子起作用了。

目前,佐斯塔克正继续实验,以使他的原始细胞更接近生命。他正在开发能更快地复制更长RNA分子的新形式的RNA。对他来说,实验的真正考验将是,他的原始细胞是否不仅能生长和繁殖,而且还能进化。

“对我来讲,生命的起源和达尔文进化的起源本质上是同一件事。”佐斯塔克说。如果达尔文今天还活着,他很可能也愿意写更多的关于生命是如何开始的著作。(曲阜师范大学生命科学学院副教授石磊编译,原文见2009年1月9日《Science》)

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