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横/文
“生命之树” 理论
生命究竟是如何起源的？ 这可能是生物学中最难以回答的问题了. 为了找到答案, 生物学家做过许多研究.
19世纪, 达尔文最先开始追寻生命的祖先,他提出了“生命之树” 的理论. 该理论认为, 类似的物种都是由同一个原始祖先进化而来, 因而属于同一个可以称之为 “生命之树” 的树状家谱. 原始祖先位于家谱的 “树基” 处并延伸出 “主干” , 随后进化的新物种位于从 “主干” 分支出来的 “枝杈” 处, 而 “枝杈” 又可分支出 “枝丫” . 时间较早、 结构较简单的物种位于 “生命之树”靠下的区域, 复杂的现代生命则高居 “树冠” , 代表进化的巅峰.
但达尔文不能确定, 所有现存的地球生命是否都属于同一棵 “树” 还是若干棵 “树” . 后来的生物学家考察了大量的化石以及古代地球化学作用的痕迹, 提出了一种 “共同祖先” 假说, 将所有生命划归到一个统一的 “生命之树” 中.
“共同祖先” 假说认为, 38亿年前, 地球上只存在一种名为“LUCA” （ “最后普遍共同祖先” 的英文缩写） 的生命, 以 “LUCA” 为 “主干” ,“生命之树” 分裂为三大 “枝杈” ： 细菌、 古细菌以及真核生物 （人类便属于这一支） , 并一步步进化出今天地球上瑰丽多姿的生命世界.
原始生命的遗迹
那么如何证明生物有一个共同祖先的呢？20世纪60年代, 生物学家在探明了细胞的最基本的作用机理后, 似乎找到了支持 “共同祖先” 假说的有力证据. 他们发现, 地球现存生命无一例外的都是利用核酸 （RNA和DNA） 来记载遗传信息的, 然后利用被称为核糖体的大而复杂的分子根据遗传信息制造蛋白质. 这种统一一致的生命活动方式表明, 所有现存生命确实都源自 “LUCA” , 只是 “LUCA” 已经拥有完整的核糖体, 其构造已经颇为精密, 并非最原始的生命.
为了填补 “LUCA”和最原始生命之间的理论空缺.生物学家长期在实验室模拟“生命之树” 最底端的进程, 他们煮了一锅又一锅盛满化学分子的 “原始汤” , 试图从中得到新的生命. 不过, 这种研究并没有得到令人信服的结果, 生物学家即使能够生产出些许带有自我复制功能的分子材料, 也无法证实生命起源与这种分子有关. 所以, 生物学家更希望从位于 “生命之树” 最顶端的现代生物着手, “自上而下” 去追溯生命的原始祖先, 他们发现, 核糖体是个不错的“帮手” .
万变不离其宗
核糖体是细胞中的一个大分子, 也可以看作是一个细胞器. 它能利用遗传信息生产蛋白质,是生产蛋白质的机器. 核糖体虽然结构非常复杂, 功能重要, 但生物学家发现, 从高等的人类到低等的细菌, 不同生命的核糖体其实非常相似——它们都有一个完全相同的 “核心” , 不同的是, 各种生命的 “核心” 附有不同的遗传物质, 可以制作不同功能的蛋白质. 即低等生命的 “核心”附有简单的遗传物质, 制作简单功能的蛋白质；高等生命的“核心” 附有复杂的遗传物质, 制作功能复杂的蛋白质. 这表明, 核糖体随着生命的进化而不断改变着, 其 “核心” 附有不同的遗传物质, 就是新生命在进化过程中为实现更高级的生物功能而产生的变异. 这些变异一层一层沉积到“核心” 周围, 而这个 “核心” 则保留了38亿年前“LUCA” 的遗迹.
生物学家设想, 如果能够收集各种生命的核糖体, 将其附加的遗传物质逐个剥离, 那么剥离处必然会在核糖体上留下痕迹——就好像从树干上砍掉枝杈, 会留下圆孔一样的疤痕. 生物学家只要深入研究附加的遗传物质 “插入处” 的 “疤痕” , 以及比较不同时代生物体的核糖体结构, 便能够了解核糖体演化的主要规律. 那么利用计算机模拟, 生物学家进行 “倒带回放” , 就可以一步步还原 “LUCA” 之前生命的核糖体的样子, 甚至看到核糖体进化的 “起点” .
核糖体驱动生命起源
通过对比和计算机模拟, 生物学家发现了核糖体最古老的部分——一段简短的被称为 “摇篮” 的原初核糖核酸 （即原初RNA, 它只能算是RNA的半成品, 所以生物学家加上 “原初” 二字作为前缀） 链条. “摇篮” 不具备“LUCA” 的核糖体所能够达到的复杂程度, 它不具备传递遗传信息的能力, 所以它不能生产蛋白质, 但 “摇篮” 非常容易连接氨基酸以及其他分子. 这种特性使生物学家相信, 生命起源的第一步就是从这个古老的核糖体开始的.
在40亿年前, 地球上发生的原始的化学反应生成了大量乱七八糟的小分子链条, 这些链条与最早期的 “摇篮”混合在一起, 很容易发生合体反应. 其中的一些小分子链条呈现的形状碰巧与 “摇篮” 上的 “插槽” 非常契合, 那么这样的小分子与 “摇篮” 结合后生成的产物就更稳定, 产物再与另外的小分子继续进行合体反应而得到长链分子（比如蛋白质、 RNA） 的概率就越大. 渐渐地, “摇篮” 不断地吸积分子, 核糖体被建造得更大、 更复杂, 开始成为一团包含原初RNA和原初蛋白质的混合分子.
这时虽然仍未出现生命现象以及遗传信息, 核糖体只是在经历化学进化, 但是整个分子系统已经为生命的诞生做好了铺垫——核糖体在化学进化过程中, 从原始分子中不断地挑选原初RNA和原初蛋白质. 当这种化学进化进行到一定程度, 蛋白质、 RNA以及更加精密复杂的核糖体同时出现, 我们熟悉的生命进化就正式开启了 .
何处是产房？
生物学家曾经长期争论生命到底起源于何种环境中,是海底的热液喷口、 火山温泉还是陆地上的粘土中？ 核糖体可能会为解答这个问题提供线索. “摇篮” 与小分子链条合体生成长链的过程中, 需要进行脱水反应, 而脱水反应更容易在干燥的环境中发生, 这表明早期的核糖体不太会在海洋中出现. 所以生物学家推测, 生命更有可能诞生在陆地池塘的边缘, 那里时而潮湿, 有利于化学分子的相互混合； 时而干燥, 有利于发生脱水反应.
另外, 核糖体也帮助生物学家重新思考生命起源的理论模型. 生命的标志性物质是DNA、 RNA和蛋白质, DNA非常稳定, 可以储存遗传信息, 代代相传, 但如果没有蛋白质的协助, 便毫无用处, 就像指挥员没有兵一样. 蛋白质的缺点正好相反, 它结构多样,能执行各种生物化学功能,却无法把信息传给下一代. 只有RNA兼具DNA和蛋白质的能力. 因此, 生物学家提出了“RNA世界” 假说, 认为生命起源时, 生物体仅由RNA分子组成. 当 “RNA世界” 发展到某个阶段, 新形态的RNA可能进化出生产蛋白质和DNA的能力. 一旦DNA和蛋白质出现, 便分摊了许多RNA的工作, 这时“RNA世界” 走到了尽头, 被DNA世界取代.
“RNA世界” 假说回答了生命起源中先有DNA还是先有蛋白质的问题, 但该假说还有许多缺陷. 比如, 如果想让RNA行使蛋白质的功能, 那么就它需要有蛋白质那样复杂的三维结构, 但生命起源早期的RNA分子很难做到这一点, 所以很难想象RNA具有行使蛋白质的功能.
又比如,生物学家很难解释“RNA世界”为何会结束. 为什么生命不愿通过进化来继续完善已经存在很久的RNA体系, 却要重新建立另外一套以DNA和蛋白质为基础的体系？ 这实在太激进了 .
然而, 在核糖体驱动生命起源的情境中,RNA和蛋白质是随着核糖体的化学进化共同出现的. 这种情景既解释了遗传物质和蛋白质的先后问题, 也使得生命起源的过程看上去更平稳.
生物学家表示, 核糖体的研究填补了生命史在 “LUCA”之前的理论空缺, 他们还会继续优化核糖体的进化模型, 以期从这一古老的时间胶囊中提取更多的信息.
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参考文献：
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