新证据表明,地球上最初的生命可能比以前认为的更混乱

新证据表明,地球上最初的生命可能比以前认为的更混乱


Szostak认为,最早的细胞是在陆地上的池塘或水坑中发育的,可能是在火山活动区。紫外线、雷击和火山喷发都可能引发了生命形成所必需的化学反应。

地球诞生时,一片混乱。流星和雷暴很可能轰炸了地球表面,除了无生命的化学物质之外,其他任何生命都无法幸免。数十亿年前,在这种错综复杂的化学环境中如何形成生命是一个谜。现在,一项新的研究提供了证据,表明最初的生命建造模块可能与他们的环境相匹配:比以前认为的更混乱。

生命是由三个主要部分组成的:RNA、DNA(对如何运行和繁殖细胞进行编程的遗传密码)以及执行指令的蛋白质。最有可能的是,第一个细胞具有全部三个部分。随着时间的流逝,它们不断生长和繁殖,在达尔文的游戏中竞争,创造了当今生活的多样性:细菌、真菌、狼、鲸鱼和人类。

但是首先,RNA,DNA或蛋白质必须在没有其同伴的情况下形成。一种常见的理论被称为“RNA世界”假设,因为与DNA不同,RNA可以自我复制,因此该分子可能首先出现。尽管最近的研究发现了分子的核苷酸(构成其骨架的A,C,G和U)是如何由地球早期可获得的化学物质形成的,但一些科学家认为,这一过程可能并非如此简单。

“多年前的天真想法是,在原始地球上可能存在核糖核苷酸浓汤,这是‘分子生物学家的梦想’。”,杰克·绍斯塔克(Jack Szostak),诺贝尔奖得主,化学和化学生物学教授,哈佛大学遗传学博士,霍华德·休斯医学研究所研究员,说:“但是如何从相对不同的起始原料的复杂混合物中产生相对现代的同质RNA尚不清楚。”

绍斯塔克及其同事在《美国化学学会杂志》上发表的一篇论文中提出了一种有关RNA如何出现的新模型。他和他的团队提出了一个类似科学怪人(Frankenstein)的开始,而不是一条干净的道路,RNA从具有类似化学结构的核苷酸混合物中生长出来:阿拉伯核酸、脱氧核糖核酸和核糖核酸(ANA,DNA和RNA)。

在地球的化学熔炉中,理想的RNA不可能自动形成。核苷酸的许多版本很可能融合在一起,形成具有现代RNA和DNA片段的拼凑分子,以及很大程度上失灵的遗传分子,例如ANA。这些嵌合体,如希腊神话中的杂交狮子、鹰和蛇等庞然大物,可能是迈向当今RNA和DNA的第一步。

该论文的第一作者,化学博士后研究员金秀贤(Seohyun Kim)说:“现代生物学依靠相对均质的构件来编码遗传信息。”因此,如果绍斯塔克和金是正确的,而科学怪人分子(Frankenstein molecules,Frankenstein疯狂的制造人造生命)是最早出现的,为什么他们会进化为同质RNA?

金博士对它们进行了测试:他将潜在的原始杂交体与现代RNA进行比较,手动复制嵌合体以模仿RNA复制的过程。他发现,纯RNA比异质同类更好、更有效、更精确、更快。在另一个令人惊讶的发现中,金博士发现嵌合寡核苷酸(如ANA和DNA)可以帮助RNA进化复制自身的能力。他说:“有趣的是,这些变异核糖核苷酸中的一些已显示出与复制RNA模板相容甚至有益于RNA模板的复制。”

如果更高效的早期RNA的复制速度快于其杂交同类产品,那么随着时间的流逝,它将超过竞争对手。这就是绍斯塔克团队理论上在原始汤中发生的事情:杂种长成现代的RNA和DNA,然后超过了祖先,并最终取代了祖先。

绍斯塔克说:“不需要原始的纯构件块。随着时间的流逝,RNA复制的内在化学原理将导致合成越来越多的匀质的RNA。正如金博士清楚地表明的那样,其原因是当不同种类的核苷酸竞争模板的复制时链,赢的总是RNA核苷酸,合成的总是RNA,而不是任何其它相关种类的核酸。”

到目前为止,研究小组仅测试了地球早期可用的可能变异核苷酸的一小部分。因此,就像那些凌乱的RNA的最初部分一样,他们的工作才刚刚开始。