生命是怎样开始的？遗传物质的革命性发现正在帮助分子生物学家拼合最早的基因模板。

在理查德 · 道金斯（Richard Dawkins）著的《自私的基因》一书中，他把生命描述成在一个十分简单范围内的一种完善方式——基因的扩大。他证明了生物体和细胞中的复杂性完全进化以帮助这一基本过程。今人迷惑的是，如果基因需要细胞，细胞同样需要基因，那么生命是怎样开始的呢？根据道金斯的理论，长期以来，生物化学家推测，最原始的生命形式为“裸露的”基因——这些基因有能力扩大而不用帮助。

多年来，分子生物学家的思想受一种简单信念的制约，即DNA合成RNA，RNA又合成蛋白质。来自DNA中的遗传信息进入蛋白质中，而RNA仅仅是把DNA携带进核糖体的中间分子，从而使其在核糖体中合成蛋白质。细胞中的酶和内部的成分也都是蛋白质。

然而在80年代，这种见解过时了。分子生物学家发现，RNA能使复杂的化学种类预先只与蛋白质取得联系。很明显，DNA的优点是可以贮存遗传信息，而蛋白质可以合成极好的酶，在这些基本任务中，RNA只能完成两种任务。因此，RNA成了早期进化研究的中心。

RNA支配早期进化的概念在80年代以前产生的两次发现中有其肉身的根源。第一，所有细胞合成了化学亚基（即核苷酸），DNA并非出自偶然，而且改变了RNA的亚基——即原始细胞在合成DNA前恰恰先合成RNA的一种迹象。第二，许多由蛋白质合成的酶只有与叫做辅酶的小分子结合起来时才能工作，这些小分子不是RNA核苷酸就是它们的近亲。这一假设在于，这些辅酶是古代RNA酶的残余物，它们比蛋白酶出现得早。如果蛋白基酶首先进化，那么这个争论就会前进，辅酶将由氨基酸，蛋白亚基合成，而不是由RNA核苷酸合成。

这些观察结果给科学家们提供了RNA在时间上早于DNA和蛋白质的间接证据，但仍存在着一连串的疑问。怀疑论者证明，如果最早的酶的确由RNA构成，那么它们在现代细胞中为什么没有存留下一点点影子？自然废弃的RNA酶为什么有利于蛋白酶？这些问题的答案开始出现得特别晚。1982年，美国科罗拉多大学的托马斯 · 切赫（Thomas Cech）和他的同事，通过在一个叫做“四膜虫属”（Tetrahymena）的单细胞原生动物门中寻找名为“自连接的内含子”的催化能力的RNA分子，从而使生物化学家受到了很大的震惊。一年后，美国耶鲁大学的西德 · 奥尔特曼（Sidney Altman）和他的同事发现一种RNA酶——核糖酶（ribozyme），它潜伏在大肠杆菌中。研究人员从它的剪形能力中找出这种酶以切割RNA的其它成分。

许多研究人员把这种酶叫做分子活化石，当全部酶由RNA构成时，这种分子活化石是一个进化时期的一种残余物。它的发现很快引出一个“RNA世界”的概念——生命由RNA控制时期一个假设时期——即RNA起基因和酶的双重作用的一个时期。RNA催化剂可能不是这个时期的唯一残余物。许多研究者证明，在RNA世界的其它遗体中，还存在着RNA病毒（携带RNA而不带DNA作为它们的遗传物质）和RNA剪辑的奇怪现象。

但是并非人人都对RNA世界的概念感到高兴。据研究生命起源的先驱莱斯利 · 奥吉尔（Leslie Orgel）声称，他已在美国索克尔生物研究所研究了早期进化的模型。许多研究人员认为，RNA的重要性已经扩大。奥吉尔说，最大的问题在于，从来没有任何直接的证据表明RNA碱基生命是切实可行的。

马萨诸塞州波士顿综合医院的詹尼弗 · 杜德纳（Jemifer Doudna）和她的同事打算改变这一切。他们用3年时间试图合成RNA中的一种“裸露”基因。他们最终目标是制成能完成两个过程的RNA分子，即先复制出自身的分子，然后合成不装备自复制其他BNA分子的拷贝。他们希望证明具有各种不同化学特征的RNA分子，一般来说，这些RNA分子在一种特殊的自复制基因的帮助下能够产生分子后代。如果这些相互配合的分子在进化的初期生存下来，那么分子在膜中的夹杂物可能会产生简单的RNA碱基细胞，最后形成一个RNA世界。

按这种情况推测，杜德纳和她的同事已经用此方法制造出一种能复制其本身片断的RNA分子。令人啼笑皆非的是，他们是根据不精确的普通基因来进行这一研究的。而在1982年，切赫和他的同事利用自连接内含子发现独特的RNA分子。

表面上，内含子阻止遗传物质的扩大是无用的，就像基因编码区（外显子）大量破坏一样。当一种基因被复制成RNA——即在蛋白质合成的第一步时——它的所有内含子和外显子都被转录成一种RNA编码长棒，内含子通常在蛋白质帮助下最后从长棒中转移出来或被连接起来。然而其名字显示，自连接的内含子所起的作用是不同的，它们有催化能力移动其自身，而不需要蛋白质帮助。它们通过一系列切断和粘贴反应来完成这一过程。内含子从RNA股中切割其自身，同时粘贴RNA的剩余片断以便股不受破坏。

自连接的内含子是RNA能起一种催化剂作用的最早迹象。但是研究人员只是后来才认识到它，它们可能也是自复制基因的一种跨步石。这一重要线索出现于1988年，当时北卡罗莱纳州杜克大学医学中心的切赫和米歇本 · 比恩（Michael Been）发现，一种自连接的内含子能用它的粘贴能力使RNA股缩短。

杜德纳和她的同事正试图进一步研究能复制自身的沟连接内含子。切赫说：“且不说内含子，他们已经全力以赴地研究并进行了艰难的实验。他们研究的关键在于这样一个事实，一条RNA股能为合成第二条股起到模板的作用，第二条股上附带着核苷酸片断。任何两条附加的RNA股将缠绕在一起形成一个双螺旋线。在理论上，一个自连接的内含子应能在两个时期复写它自身。首先，它需要找一个分离自身的拷贝，以把它作合成附加股的一块暂时的膜板。若把附加股用作一块永久的模板，则内含子就会把它的环状拷贝放出来。

一个RNA股变得越长，它缠绕起来的可能性就越大。今年，研究人员找到了能解决这个问题的方法，即把内含子切成三片，这些内含子片是按照这样一种方式切割的，每个内含子片可松弛地系在其它两片上，这是什么原因呢？道理是这样的，当内含子片被松弛地系住时，内含子便起一种催化剂作用；但当内含子片分开时，每片内含子就会散开，变成一块模板。

这个证据的证明是，当研究人员把RNA片断植入三片内含子时，就可以将其最小的成分用作一块模板以合成一条附加股。今后的任务是合成一种能将其内含子片全部用作模板的三片内含子。这一任务完成后，是合成一种能使用全部附加股的内含子，以合成它的拷贝。杜德纳说：“我要说在2~4年内我们将用一种不完善的方法获得正在复制的东西，而且这种东西在10年内会变得更复杂。”

那肯定会产生激动人心的情景，但它会说服持怀疑态度的人生命曾经是由RNA控制的吗？“我认为它不会以一种方式或其它方式动摇人们的心，”比恩说：“人的思想非常复杂。”一个关键的问题是，简单地说，自连接的内含子是最早基因的最佳工作模型还是基因直系后代的最佳工作模型。一个可以相信的理由是，自连接的内含子是直系后代，他们在许多有机物中被发现，这表明存在一个古代的进化系统。有些计算结果甚至表明：自连接的内含子是36亿年前进化的，它们存在于早期的普通细胞中。但是这种情况被这-一个事实混淆了，内含子从基因组“跳跃”到基因组中，因此很难追踪它们的进化历史。切赫在合成自复制基因时十分小心，尽管确立这种模型的化学合理性是重要的，但是它不会证明最早的基因实际上是由RNA构成的。

对奥吉尔来说，理解生命起源的关键在于早期的进化。他说，即使分子生物学家成功地创造了自复制的RNA基因，也不会解开最大的谜。这些复杂的分子是怎样在原始物质中进化的？它们存在于早期的地球上吗？这个观点是由加州拉乔拉斯克里普斯临床研究所的一位有机化学家杰拉尔德 · 乔伊斯（Gerald Joyee）提出的。正如他指出的那样，“如果你认为生命在某种意义上基于RNA，那么生命就不会同RNA—起开始，然后你必须解释在此之前发生了什么情况”。

那么，RNA分子形成于早期的地球可能会怎样？化学家预测，甲醛（HCHO）和氰化氢（HCN）很容易形成。以这些简单的化合物作为出发点，接连发生的反应在理论上可能已经产生一种有机分子多血症——其中包括核苷酸。那么这种有机物质为什么产生RNA而没有产生任何其它分子？例如，为什么没有产生DNA？

RNA和DNA之间的主要化学差异在于它们组成核苷酸的糖成分。在RNA中，糖的成分是核糖；在DNA中，糖的成分是脱氧核糖。然而，这种小小差异的意义对分子的早期进化是有争议的。乔伊斯说：“很难观察到关于核糖十分特殊的情况。”如果从甲醛开始，糖的成分可能会自然而然地产生，但结果却产生了十几种不同的糖成分。

一种可能性是，偏向化学进化的第二种主要成分有利于核糖。这个观点是由苏黎士瑞士联邦理工学院的丹尼尔 · 缪勒（Daniel Muller）和艾伯特 · 埃申莫泽（Albert Eschenmoser）从最近做的一系列研究中获得的结果。研究人员们合成了一种实验室“物质”，这种物质开始时为甲醛和一种分子的混合物，它们能合成甲醛和甘醛。乔伊斯报道说，尽管产生了大量糖，但核糖仍占主要地位。

但是RNA世界存在着其它困难。对乔伊斯来说，真正难题并不是与RNA核苷酸相关的核糖是否曾经形成于地球的初期，而是“RNA的特殊聚合物是否已经自然而然地形成。”尽管核苷酸的相对比较纯的混合物将在实验室中自发地起反应以形成链，但是乔伊斯证明，早期地球的条件与理想中的条件相差甚远。，特别是与RNA核苷酸相似的污染物质将会妨碍链的形成。此外，RNA核苷酸是化学家们称作的手性分子——这就是说，它们以一种左旋的形式或者以一种右旋的形式存在。乔伊斯说：“对我来说，化学合成方法的最大难题是手性问题”。

协助RNA

天然RNA中全部核苷酸都呈右旋，但是核苷酸在化学上以两种手性形式存在。RNA化学的诡辩意味着，左旋的核苷酸能将其自身连接到右旋核苷酸的链上，而且能阻止链的生长。因此，为了形成天然的RNA，核苷酸不但必须是纯的，而且也必须全部呈右旋：即古代物质的最高序列。

因此，如果这种物质不是连续的，那么RNA是怎样进化的呢？一种观点认为，一种比较原始的生命形式始于RNA时期。也许最早的分子有能力复制自身，它不但相似于RNA，而且不太复杂容易形成。荷兰奈梅亨天主教大学的奥吉尔（Orgel）和艾伦 · 施瓦茨（Alan Schwartz）提出，这种分子由那些相似于RNA的亚基构成，但它能控制甘油——一种比较简单的代替核糖的分子。甘油碱基核苷酸只能以一种形式存在，因此手性难题立即消失了。奥吉尔和施瓦茨证明RNA的一种甘油相似物具有RNA的某些主要特征。它可以在一块由普通RNA构成的模板上合成，而且可以连接一条附加的RNA股。

当然，甘油相似物只是一个大的范围，像RNA一样，任何具有不止一种亚基的聚合物都能携带按其亚基顺序排列的信息。但是无论你怎样选择，都很难推测由其亚基混合物自发产空的一种自复制的聚合物。然而关于这个问题可能有几种方法。费城宾夕法尼亚州立大学的斯图尔特 · 考夫曼（Stuart Kauffman）用数学方法证明，聚合物特别复杂的成分能复制成一个族，即使族中没有一个单一成员也能由其自身来复制。这个族需要一定量的亚基，而且有些聚合物一定能催化简单的反应，例如把一种聚合物切割成两部分或把两种聚合物粘在一起。如果这个族具备了这些东西，那么它就会作为一个整体迅速进化有能力复制它自己，至少按照考夫曼的数学模型会是这样。

考夫曼把这种自复制族称为“自催化系统”。其主要优点在于，一种自复制的RNA分子需要一定的纯右旋核苷酸——一个自催化系统能够同一种天然的聚合物混合物及亚基一道工作。考夫曼认为，也许由RNA构成一种真正的自复制分子在取代之前首先在一个自催化系统中进化。

如果生命确实与RNA—起开始，那么它肯定是在一个十分特殊的环境中进化的，至少是因为RNA在水中迅速分解。在细胞中，水大大受到具有电荷的分子的控制；这可以防止水破坏RNA股。RNA碱基生命同样需要一种保护性环境。池塘上的泡沫将成为这样一个圣堂。另一方面，最初的形似RNA的聚合物可能已在一种晶体表面上形成了。当亚基和聚合物被限定在这一表面上时，聚合反应热力学就会明显改变，聚合物的耐水性就会特别强。

多年来，早期进化的几种模型已经形成，在这几种模型中，晶体起了主要作用。最著名的模型是26年前由格拉斯哥大学的格 · 凯 · 史密斯（Graham Cairns Smith）最早提出的。在他的理论中，他认为生命始于粘晶体，粘晶体携带遗传信息，在晶格中呈现出一些缺陷。这些缺陷也许能使晶体进化催化反应，也许甚至合成有机分子。

显然，很难解释RNA碱基生命怎样才能产生粘晶体——即一种RNA相似物。但总之，判断对抗性理论的实验性证据极少。我们不能确定我们这个世界过去曾一度受RNA的控制，尽管它看起来极有可能，我们也不能确定这是一个怎样的世界。如果它的确存在，那么它肯定会出现。正如乔尹斯所指出的那样，“你能够发现许多人，每个人身上都有开始时受人喜欢的东西。”乔伊斯不愿再往下叙述了。“现存的信息是不够的……在RNA之前出现了什么情况，目前尚无强有力的答案”。

[New Scientist，1991年11月9日]