【译】生命起源 II：先有鸡还是先有蛋？

原作：Chaotropy

引言：这篇文章是关于生命起源、无机起源、化学进化和RNA世界假说的系列文章中的第二篇。

/机器翻译/

现在让我们从另一个方向来看待进化：在今天的生命中，存在着一种高度保守的密码，我们人类与所有其他生物（无论是果蝇还是森林大象）都（部分地）共享这种密码。这个密码不是储存在RNA中，而是储存在更加稳定的DNA（脱氧核糖核酸）中，其中核糖被能量更加稳定的脱氧核糖所取代。两分子DNA形成一个双链，这也有助于其稳定性：核酸碱基胞嘧啶和鸟嘌呤，以及胸腺嘧啶和腺嘌呤，具有如此匹配的空间结构，使它们在电静力作用下互相吸引并将两条链结合在一起。然而，为了实现这一点，必须满足一个条件：无论一条链上有胞嘧啶，另一条链上必须有鸟嘌呤，反之亦然。同样，如果一条链上有胸腺嘧啶，另一条链上必须有腺嘌呤，反之亦然。这意味着双链中一条链的DNA始终是另一条链的复制品，而且两者方向相反。如果我们用它们的首字母缩写来表示核酸碱基，我们可以轻松想象出这样一个可能的双链结构：

...AGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCT... 
...TCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGA...

DNA 双链形成众所周知的双螺旋结构，该结构特别稳定，正如 James Watson 和 Francis Crick 在 1953 年所描述的那样。两人都于 1962 年获得了诺贝尔奖。

在我们已知的生物体中，特定酶可以将DNA的双链分离一小段时间，以生成一个匹配的RNA链（它包含尿嘧啶而非胸腺嘧啶，它与腺嘌呤也匹配）。这个新的单链RNA——称为信使RNA——然后可以通过一个系统被翻译成一条氨基酸链（或多肽链），其中连续三个核酸碱基编码一个氨基酸。DNA的记忆代码使​​用四个不同的字母，因此成为具有二十个字母的蛋白质功能字母表（20种氨基酸）。因此，DNA中的核酸碱基的线性序列可以通过RNA转录成同样线性的氨基酸序列，这符合教条：

多肽链是蛋白质的最低级别组织形式。它形成三维结构：蛋白质。由于二十种不同的氨基酸可以组装成几乎任意长度的链，蛋白质可以具有多种化学性质。

顺便说一句，我们将 DNA 中的每一个信息单元称为基因，其转录到氨基酸系统中会产生（有意义的）蛋白质。我们身体的每一种表现，从大脚趾上的皮肤到大脑神经元的走向，都遵循这些基因的表达和所产生的蛋白质的特定相互作用。一些蛋白质形成我们的组织结构的纤维，比如胶原蛋白。其他的存在于细胞膜中，它们在那里形成通道，例如。有些甚至在它们的主干关键点上有口袋，其他分子可以结合在其中，扭转蛋白质的整个基本结构。例如，当特定的信号分子结合时，离子通道可能只打开。其他的是催化剂；我们称它们为酶。它们的基本功能需要简要解释：酶提供可以降低化学反应活化能的微环境。这是可能的，因为酶获得了特殊的化学性质：一些与无机分子结合，比如金属离子。这反过来可以将化学反应分解为中间步骤，每个步骤需要更少的能量。反过来，金属离子与反应物形成短暂的复合物。因此，一个具有高活化能的反应变成了几个具有如此低活化能的部分反应，以至于周围的能量足以启动它们。金属离子就像让人能够攀登高墙的梯子。因此，酶可以催化化学反应——它们是生物催化剂，作为代谢过程的关键。它们使能量复杂的反应在没有闪电、火山等情况下发生。酶在我们的有机体中执行无数任务，并以数千种不同的变体存在，具有不同的性质。数千个基因包含了它们的蓝图。

DNA到RNA的转录以及从RNA到氨基酸链（或蛋白质）的翻译是由特殊酶催化的所有这些化学反应完成的。然而，这些翻译酶又是通过基因的表达产生的，而没有酶，这也是不可能的。生命如何从最初的原始化合物中产生是一个古老的鸡和蛋问题。究竟哪个先出现？稳定能量的核酸碱基链——蛋白质的密码——还是一种原始的能够复制核酸碱基链的蛋白质？

Sidney Altman和Thomas R. Cech在1982年做出了开创性的发现，解决了这个谜题：他们发现了一类“酶”，存在于每个细胞中，由RNA而非多肽链（即氨基酸）组成，并将它们称为核糖酶。两人因此在1989年授予了诺贝尔化学奖。

因此，一个复杂的RNA分子不仅可以存储信息，还可以潜在地执行类似酶的任务。那么也许这些核糖酶是来自另一个世界的活化石，在那里RNA在生物体内扮演着所有工作的角色？根据这一假设，关于鸡（蛋白质）和蛋（DNA）的问题就可以得到解决：两者都不是先有的。

在核酸碱基和第一批RNA分子出现后，化学进化可能朝着基于RNA的生命——RNA世界迈出缓慢的步伐。偶然间，越来越长的RNA分子进化出来，这些分子再次在空间中折叠形成更复杂的结构。然而，一个长RNA分子的空间结构本身并不是偶然的产物，而是遵循从链的主要结构导出的规则，即四个核酸碱基的序列。想想DNA，其中两个匹配的核酸碱基相互吸引形成双链。这个规则也适用于单链RNA：如果一个RNA足够长，它很可能具有匹配的片段。

这也使得单链RNA根据其核碱基序列规则在不同点处连接到自身，形成复杂的空间结构。这有时会承担与蛋白质类似的功能。在数百万年的长河中，更长、更复杂的RNA分子进化出来，并可能是所有生命的基础。