生命起源：寻找第一个自我复制者 吴亮，非典型INTP 对于生物演化，很多人的印象可能就是，鸡生蛋蛋生鸡，一代一代繁衍一代一代变异，在自然选择的作用下变得更加高等更加复杂。这里先不讨论后面如何变异选择的问题，单看鸡生蛋蛋生鸡这个过程，总是不禁让人疑惑，那一个蛋是从哪里来的呢？或者说，第一个生命是怎么来的呢？还有，它诞生以后是怎么复制出自己的呢？ 我们都知道，生命的基本构成是 DNA 和蛋白质。DNA 先转录成 RNA，RNA 再翻译出蛋白质，蛋白质再帮助 DNA 自我复制。在生命起源之初的原始汤中，这三种因素显然不能都配备齐全。要解开的谜并非仅限于第一个蛋白质分子和第一个核酸分子（DNA 或 RNA）怎样产生，同时也包括它们怎样共同发挥作用。因为惟独这两种分子共同发挥作用，生物才可能在地上生存。要知道生命起源于 40 亿年前，这两种分子最初彼此紧密合作，似乎已经是一个解不开的哑谜。 1953 年，在米勒 - 尤里模拟早期地球环境的实验中，发现基本的几种氨基酸竟然可以从无机环境中自然生成。后续的一些实验又陆陆续续合成出了构成核酸分子的关键分子：嘧啶。尽管另一种关键分子——嘌呤，还没有被合成出来，但我相信也为时不远。这两种名字很奇怪的分子，分别长这样： 最左边就是构成 RNA 的四种碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)。右边构成 DNA 的四种碱基，除了尿嘧啶(U)换成了胸腺嘧啶（T），其他都一样。 后来人们发现，RNA 原来也有催化化学反应的活性，尤其是还有把碱基连接成核酸的功能。这样一来，RNA 似乎就具备了生命复制的两个要素：储存遗传信息和催化化学反应。看起来我们似乎距离生命的起源近了一大步，可仍然有一个关键性的问题没有解决：它是如何复制自己的呢？要复制和自己一模一样的分子，至少要先有一个模版和催化碱基链接的催化剂。可自己就是模版和催化剂，又不能分身，上哪儿去找一个跟自己一模一样的分子呢？ 对逻辑学有点了解的同学就会知道，自我指涉总是很容易引出问题的。此时你可能会想到 quine programs，也叫"self-replicating programs"，比如说这个： s = 's = %r\nprint(s%%s)' print(s%s) 这段 python 代码的输出即为代码自身。这其中的技巧是在字符串中包含代码信息，然后再将代码字符串输出两次。这一自我复制，是代码、解释器和 CPU 共同努力的结果。 但是对 RNA 来说，可没有什么 CPU 和编译器供它利用，能利用的只有自己。如果我们计算一下它的大小，会发现一个碱基的分子量只有 300 左右。100 个碱基连在一起，分子量也只有 30000，也就是说一个分子只有大约 克。这么小一个分子，如何能够复制自己呢？ 答案就隐藏在碱基互补配对中。 假设一下，如果一段 RNA 恰好能够催化与自己配对的反义 RNA 合成，然后这一段反义 RNA 恰好又能够催化自己合成，那是不是就可以了？ 2009 年发表在 Science 上的论文，Self-sustained Replication of an RNA Enzyme，正是这么做的。他们在试管中重现了最早的 RNA 复制过程。 图 A，E‘是一段 RNA 链，与它互补配对的是 A 和 B，而 E‘能够催化 A、B 连接为它的互补链 E。反过来，E 又能催化 A’和 B’连接为互补链 E‘。经过这样一个循环，E‘最终实现了自我复制。 图 B，E’和 A、B 的结构，曲线箭头即为 A、B 的连接处。整个 E‘分子才不到 70 个碱基。注意方框内的 G-U 配对，这一对并不是互补的，因此会有 wobble（摇摆），刚好产生催化活性。 完成这一最初始的复制过程后，合成出来的新的分子就能继续复制自己，, 几小时内就能扩增至原来的 10 倍。100 个小时后复制分子的总数扩增了 10^23 倍。就像这样，地球上最原始的生命诞生了。 参考文献： Lincoln, Tracey A.; Joyce, Gerald F. (27 February 2009)."Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme". Science(Washington, D.C.: American Association for the Advancement of Science) 323 (5918): 1229–1232. ——————————————— 发自知乎专栏「发现事物的乐趣」
