一个与地球生命起源有关的故事:人类是如何解开这个谜题(3)

2017年03月01日 09:25 新浪科技 微博
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细胞中的细胞器极为精密复杂。细胞中的细胞器极为精密复杂。

  第二章:众说纷纭

  到了上世纪50年代早期,科学家已经不再相信生命是上帝的恩赐了,而是开始探索生命在地球形成早期自发出现的可能性。在史丹利·米勒实验的启发下,他们甚至还为这一观点提供了实质性的支持。就在米勒开展实验的同时,其他科学家则在试图弄清基因的组成。

  此时人们已经发现了多种生命必须的化学物质,如糖、脂肪、蛋白质、以及脱氧核糖核酸(简称DNA)等。如今我们都知道DNA是基因的载体,但对于上世纪50年代的生物学家来说,这却是一个石破天惊的消息。蛋白质相比之下更加复杂,因此科学家一度把它们当成了基因。

  但在1952年,华盛顿卡内基学会的阿尔弗雷德·赫希(Alfred Hershey)和玛莎·蔡斯(Martha Chase)证明了科学家此前的看法是错误的。他们研究了一些仅由DNA和蛋白质构成的简单病毒,这些病毒通过感染细菌的方式来繁殖。结果发现,进入细菌的是病毒的DNA,蛋白质则留在了细菌外面。显然,DNA才是遗传物质。

图为詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克和他们的DNA模型图为詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克和他们的DNA模型

  赫希和蔡斯的发现促使科学家们对DNA的结果展开了狂热的研究。仅仅一年之后,这一问题就被剑桥大学的弗朗西斯·克里克(Francis Crick)以及詹姆斯·沃森(James Watson)攻克了。同事罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)为他们提供了许多帮助,但她的作用却受到了低估。

  他们的研究结果是20世纪的重大科学发现之一。他们揭露了细胞内部极为精密复杂的结果,因而改变了生命起源的研究方向。克里克和沃森意识到,DNA是双螺旋结构,就像一道被扭成了弹簧状的楼梯一样。梯子的“两极”由一种名叫核苷酸的分子构成。这一结果也让科学家了解了细胞复制DNA的过程,换句话说,也就是父母双方复制自己的基因、并遗传给子女的过程。

  关键在于,DNA的双螺旋结构可以“解开”,使遗传密码子(由A,T,C,G四种碱基构成)暴露在外,成为模板,然后复制出另一条DNA链。通过这一机制,基因便可以代代相传。你的基因也许最早来自于某个远古时期的细菌,每一次复制都按照克里克和沃森发现的规则进行。

  克里克和沃森的研究结果发表在了1953年的《自然》期刊上。在接下来的几年间,生物化学家纷纷对DNA展开了分析,想弄清它究竟携带了哪些信息、这些信息是如何被细胞所利用的。生命最深的奥秘终于得以真相大白。

DNA几乎是所有生物的核心成分。DNA几乎是所有生物的核心成分。
RNA或许是生命起源的关键。RNA或许是生命起源的关键。

  结果发现,DNA的任务只有一个:指导细胞产生蛋白质。如果没有蛋白质,你就无法消化食物,心脏无法跳动,呼吸也无法进行。但利用DNA产生蛋白质的过程可谓极其复杂。要想解释生命的起源,就必须面对这个艰难的问题,因为我们很难想象,如此复杂的事物最开始是如何起步的。

  从本质上来说,每个蛋白质分子都由一长串氨基酸按照特定顺序构成。氨基酸的排列顺序决定了蛋白质的三维形状,以及蛋白质的功能。这些信息就埋藏在DNA的碱基对序列中。因此,如果细胞需要产生某种特定的蛋白质,它就会读取DNA中的相关基因,从而了解氨基酸的排列顺序。但DNA十分宝贵,需要好好保护。因此,细胞会将DNA上的信息复制到另一种名叫RNA的短分子上。如果把DNA比作图书馆藏书的话,RNA就是复印下来的章节片段。RNA与DNA相似,但它只有一条链。

  最后,细胞会将RNA链上携带的信息转化为蛋白质,过程将在一种名叫“核糖体”的、极为复杂的分子中进行。

  每个活细胞中都会经历这样的过程,即使是最简单的细菌也不例外。对于生命来说,它就像吃饭和呼吸一样重要。而要想解释生命的起源,就必须说清DNA、RNA和核糖体蛋白质之间的复杂关系是如何出现的。这样一来,奥巴林和霍尔丹的理论就显得太过简单了,米勒的实验也显得颇为业余。他并没有创造出生命,他的研究仅仅是万里长征第一步而已。

  第一位真正解决了这一问题的人是一名叫做莱斯利·奥格尔(Leslie Orgel)的英国化学家。他先是对这个问题进行了简化。在克里克的支持下,他于1968年发表了一篇论文,指出早期生命中并不存在蛋白质或DNA,而几乎全都是RNA。这些原始的RNA分子功能灵活多变。例如,它们必须能复制自身,也许它们同样利用了与DNA类似的碱基配对机制。

  这一观点产生了很大的影响力,但也引发了科学界的巨大争议,一直到今天仍无定论。奥格尔指出生命最初只拥有RNA,说明他认为繁殖能力(生命的关键能力)出现得最早。也就是说,他不仅解释了生命最初是如何形成的,还解释了生命究竟为何物。

  许多生物学家都赞同奥格尔的理论。在达尔文的进化论中,繁殖能力是生物的核心能力之一:只有留下尽可能多的后代,才能在竞争中“胜出”。但生物的其它能力似乎也同样重要,如新陈代谢,即从周围环境中摄取能量、维持生命的能力。许多生物学家认为,新陈代谢是生物最早具备的能力,其次才是繁殖能力。因此,从上世纪60年代开始,研究生命起源的科学家分成了几大阵营。“一派认为新陈代谢最先出现,另一派认为基因复制能力最先出现。”萨瑟兰德说道。

  与此同时,还有第三派科学家认为,最先出现的应当是一个储存关键化学物质的“容器”,将生命必备的分子聚集在一处。换句话说,他们认为最先出现的是细胞,这样才有新陈代谢的场所。

  这三种理论都有各自的支持者,并一直流传到了今天。科学家也积极地投入到了自己所支持的观点中,有时甚至难免盲目。结果,科学家们在出席探讨生命起源的会议时常常争吵不休,对彼此的观点进行激烈抨击。但由于奥格尔,“生命起源于RNA和基因”的观点在这场争论中开了个好头。而到了上世纪80年代,人们又做出了另一项惊人发现,这一观点似乎已经板上钉钉了。

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