地球生命从何而来？美国科学家揭示生命起源的奥秘

来源：凤凰科技   发布者：张荐辕   日期：2015-06-12  

据科学日报报道， 万物之初只有简单的化学物质，然后产生了氨基酸，后者最终形成创造单细胞必需的蛋白质，然后单细胞逐渐形成植物和动物。近期的研究揭示了原始汤是如何创造氨基酸建造单元的，且从单一细胞进化到植物和动物的过程已经达成了普遍的科学共识。然而，至于这些建造单元最初是如何装配成蛋白质的，目前仍是个谜。而现在，美国北卡罗莱纳大学的两名科学家，理查德•沃尔芬登（Richard Wolfenden）和查尔斯•卡特（Charles Carter）提供了40亿年前从建造单元过渡到生命的新见解。 “我们的研究显示了从一开始，远早于大型成熟分子形成之前，氨基酸物理特性、遗传密码和蛋白质折叠之间的密切联系就非常重要。”北卡罗莱纳大学医学院生物化学和生物物理学教授卡特这样说道。“这种密切的相互作用很可能是从建造单元到有机体的进化的关键因素。” 这项发表在期刊《美国国家科学院院刊》上的文章悍然不顾目前有问题的“RNA世界”理论，后者认为RNA——在基因编码、调控和表达方面起着作用的分子——是从氨基酸和宇宙化学物质组成的原始汤里提升出来，它首次产生了名为肽键的较短蛋白质，然后再产生了单细胞有机物。 沃尔芬登和卡特辩论称RNA并非孤军奋战，事实上，更可能的一种情形是并非RNA催化了肽键的形成，而是肽键催化了RNA的形成。这项发现为几十亿年前生命是如何进化的补充了新的知识。 地球所有生物的最后一个共同祖先露卡 科学界意识到36亿年前存在目前地球上所有生命的最后一个共同祖先露卡（Luca）。它很可能是一个单细胞有机物，具有几百个基因，已经完成了DNA复制、蛋白质合成和RNA转录的蓝图。它具有现代有机物所具备的所有基本组成部分，例如类脂。从露卡的时间线往后，我们很容易了解生命是如何进化的。 然而，在36亿年前，地球上的沸腾化学物质原始汤——46亿年前地球产生之后它们就存在了——是如何产生露卡的，目前并没有确凿的证据。这些化学物质发生相互作用形成氨基酸，后者仍是现代细胞里蛋白质的基本构建单元。 “我们已经了解了很多有关露卡的信息，而现在我们开始了解产生建构单元，例如氨基酸的化学机制，而目前这两者之间却是知识的沙漠。”卡特说道。“我们甚至不知道如何探索这片沙漠。”而现在，北卡罗莱纳大学的这项最新研究象征着这片沙漠的边区村落。 “沃尔芬登博士确定了二十个氨基酸的物理特性，我们发现这些物理特性和遗传密码之间存在相关性。”卡特说道。“这一相关性表明存在第二个更早的密码使得肽键-RNA相互作用变为可能，后者是产生一个自然选择的必要条件，这一自然选择最终导致地球上第一个生命的产生。” 因此，卡特认为，RNA并非从原始汤里凭空产生。相反，更可能的一种情况是，甚至在细胞存在之前，就已经存在氨基酸和核苷酸的相互作用，后者导致蛋白质和RNA的共同产生。 蛋白质的衍化：从简单到复杂 蛋白质必须以特定的形式折叠才能保证功能正常。由沃尔芬登带领进行的第一篇发表在《美国国家科学院院刊》上的文章显示，二十个氨基酸的极性（它们在水和油之间如何分布的）和它们的大小帮助解释了蛋白质折叠的复杂过程——当一条相互连接的氨基酸链自我排列形成特殊的具有特定生物功能的三维结构。 “我们的实验显示了氨基酸的极性是如何在一系列不同的温度范围里持续发生改变，从而保证不会扰乱遗传编码和蛋白质折叠之间的基本关系。” 沃尔芬登说道。这是非常重要的，因为当地球上生命最初形成时，地球的温度非常炙热，很可能比现在或者第一批动物和植物产生时更加炙热。 在沃尔芬登实验室进行的一系列有关氨基酸的生物化学实验展示了两个特性——氨基酸的大小以及极性——是解释氨基酸在折叠蛋白质里的特性的充分必要条件，这些关系即使是在40亿年前地球环境温度更高时仍然成立。沃尔芬登博士目前还任职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校艺术与科学学院化学系。 第二篇由卡特带领进行的发表在《美国国家科学院院刊》上的文章深入研究了名为氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, 简称aaRS)的酶是如何识别转移核糖核酸（又称转运RNA, 简称tRNA）的。这些酶翻译了遗传密码。 “将转运RNA想像成一个适配器，”卡特说道。“适配器的一端携带了一种特定的氨基酸，而另一端则读取信使RNA里这一氨基酸的基因蓝图。每一个合成酶将这二十个氨基酸与各自的适配器相匹配，使得信使RNA里的基因蓝图每次都可以产生正确的蛋白质。” 卡特的分析显示L形状的转运RNA分子的两端包含独立的编码或者准则，后者会指定选择哪种氨基酸。转运RNA携带氨基酸的一端会根据氨基酸的大小整理分类氨基酸，而L形状转运RNA分子的另一端名为tRNA反密码子，它会读取密码子，后者是遗传信息里的三个RNA核苷酸序列，它们会根据极性选择氨基酸。 沃尔芬登和卡特的研究暗示了转运RNA和氨基酸物理特性——它们的大小和极性——之间的关系在地球原始汤时期是至关重要的。根据卡特之前对名为Urzymes的tRNA合成酶的小活动核心的研究，很有可能对大小的选择先于对极性的选择。这种有顺序的选择意味着最早的蛋白质不一定是折叠成独特的形状，它们的独特结构很可能是之后进化的。 卡特说道：“翻译遗传密码连接着生命前的化学和生物学。”他和沃尔芬登相信基因编码的中间阶段帮助解决了两个谜题：复杂是如何产生于简单，以及生命是如何在两种不同的高分子，蛋白质和核苷酸之间分配劳动力的。“遗传编码是在两个相继的过程里产生的——第一个阶段相对简单——这一事实可能是生命能够在地球还很年轻时产生的原因之一。”沃尔芬登解释道。 一个更早的编码——它促使了最早的编码肽键与RNA相连接——可能提供了一个决定性的选择优势。这种原始系统可能经历了一个自然选择的过程，因此产生了一种新的生物形式的进化。 “RNA和肽键之间的合作很可能是复杂性自发产生的必要条件，”卡特补充说道。“于我们看来，地球曾是一个肽键-RNA的世界，而非只有RNA的世界。”这项研究得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health，简称NIH)的资金支持。

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