來自《量子雜誌》(在此處查詢原始故事)。
大約40億年前，分子開始自我複製，這一事件標誌著地球生命的開始。幾億年後，原始生物開始分裂成構成生命之樹的不同分支。在這兩個開創性事件之間，出現了一些最偉大的創新：細胞、遺傳密碼以及為這一切提供動力的能量系統。這三者對於我們所知的生命至關重要，但科學家們對這些非凡的生物創新是如何產生的知之甚少，令人失望。
“甚至在最後一個共同祖先之前，也很難推斷進化事件的相對順序，”麻省理工學院的地質生物學家格雷格·富尼耶說。細胞可能出現在能量代謝之前，或者反之亦然。由於沒有從這一時期生活的生物中儲存下來的化石或DNA，科學家們幾乎沒有資料可供研究。
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富尼耶正在領導一項嘗試，以重建生命在那些進化黑暗時代的歷史——從生命首次出現到分裂成最終成為無窮無盡的存在糾結的數億年。
他正在使用來自活生物體的基因組資料來推斷古代基因的DNA序列，作為被稱為古基因組學的新興領域的一部分。在3月份在《分子進化雜誌》上線上發表的研究中，富尼耶表明新增到程式碼中的最後一個化學字母是一個名為色氨酸的分子——一種因存在於火雞晚餐中而聞名的氨基酸。這項工作支援了遺傳密碼逐漸進化的觀點。
使用類似的方法，他希望破譯更多密碼的時間順序——確定每個字母何時新增到遺傳字母表中——並確定生命起源中的關鍵事件，例如細胞的出現。
黑暗的起源
生命出現的時間太久遠了，以至於當時覆蓋地球的岩層都被摧毀了——隨之而來的，還有早期進化的化學和地質線索。“在生命起源和最後的共同祖先之間存在著巨大的鴻溝，”亞特蘭大佐治亞理工學院的生物學家埃裡克·高切說。
科學家們確實知道，在那段時間的某個時刻，生物開始使用遺傳密碼，這是製造複雜蛋白質的藍圖。正是這些蛋白質執行細胞的重要功能。（DNA和RNA的結構還使得遺傳資訊能夠被複制並代代相傳，但這與蛋白質的產生是不同的過程。）程式碼的組成部分和組裝它們的分子機制“是細胞中最古老和最普遍的方面，生物學家們對理解它們進化的機制非常感興趣，”安大略省漢密爾頓麥克馬斯特大學的生物物理學家保羅·希格斯說。
程式碼是如何產生的提出了一個先有雞還是先有蛋的問題。程式碼中的關鍵參與者——DNA、RNA、氨基酸和蛋白質——是化學上覆雜的結構，它們協同工作以製造蛋白質。但在現代細胞中，蛋白質被用來製造程式碼的組成部分。那麼，一個高度結構化的程式碼是如何出現的呢？
大多數研究人員認為，該程式碼最初是從由有限的氨基酸字母表製成的基本蛋白質開始的。隨著時間的推移，隨著這些蛋白質學會製造更復雜的分子，其複雜性逐漸增加。最終，它發展成為一種能夠創造我們今天所看到的所有多樣性的程式碼。“長期以來，人們一直假設生命由20種氨基酸組成的‘標準字母表’是從一種更簡單、更早的字母表進化而來的，就像英文字母在其歷史中積累了額外的字母一樣，”馬里蘭大學巴爾的摩縣分校的生物學家斯蒂芬·弗裡蘭說。
程式碼中最早的氨基酸字母很可能是結構最簡單的，那些可以透過純粹的化學手段製成的，而無需蛋白質輔助。（例如，在隕石上發現了氨基酸甘氨酸、丙氨酸和穀氨酸，表明它們可以在各種環境中自發形成。）它們就像字母A、E和S——作為後來基礎的原始單元。
相比之下，色氨酸具有複雜的結構，並且在蛋白質程式碼中相對罕見，就像Y或Z一樣，這導致科學家們推測它是程式碼中最新新增的字母之一。
化學證據令人信服，但卻是間接的。富尼耶來了。他懷疑，透過擴充套件他在古基因組學方面的工作，他將能夠證明色氨酸是新增到程式碼中的最後一個字母。
最後一個字母
科學家們重建古代蛋白質已經十多年了，主要是為了弄清楚古代蛋白質與現代蛋白質有何不同——它們的樣子以及它們的功能。但這些努力主要集中在最後一個普遍共同祖先（或研究人員稱之為LUCA）之後的進化時期。富尼耶的工作比以往任何努力都更深入地追溯了過去。為此，他必須超越比較基因組學的標準應用，後者分析生命之樹上分支之間的差異。“根據定義，任何先於LUCA的東西都位於樹中最深的分裂之外，”他說。
富尼耶從兩種相關的蛋白質TrpRS（色氨醯tRNA合成酶）和TyrRS（酪氨醯tRNA合成酶）開始，它們幫助將RNA字母解碼為氨基酸色氨酸和酪氨酸。TrpRS和TyrRS彼此之間的關係比與其他任何蛋白質都更密切，這表明它們是從同一個祖先蛋白質進化而來的。在LUCA之前的某個時候，該親代蛋白質略有突變，產生了這兩種具有不同功能的新蛋白質。富尼耶使用計算技術來破譯該祖先蛋白質的模樣。
他發現祖先蛋白質具有所有氨基酸，但色氨酸除外，這表明它的新增是遺傳密碼的最後潤色。“它令人信服地表明，色氨酸是最後新增的氨基酸，正如以前推測的那樣，但沒有像這裡所做的那樣真正確定，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家奈傑爾·戈爾登菲爾德說，他沒有參與這項研究。
富尼耶現在計劃使用色氨酸作為標記來確定其他主要的LUCA前事件的日期，例如代謝、細胞和細胞分裂的進化，以及遺傳機制。這三個過程形成了一種生物三頭政治，為我們今天所知的生命奠定了基礎。但我們對它們是如何產生的知之甚少。“如果我們理解這些基本步驟的順序，它會建立一個指向生命起源可能情景的箭頭，”富尼耶說。
例如，如果參與代謝的祖先蛋白質缺乏色氨酸，那麼某種形式的代謝可能很早就進化了。如果指導細胞分裂的蛋白質佈滿了色氨酸，則表明這些蛋白質的進化相對較晚。
不同的生命起源模型對這三個過程中的哪一個先出現做出了不同的預測。富尼耶希望他的方法能夠提供一種排除其中一些模型的方法。但是，他警告說，它不會明確地確定這些事件的時間。
富尼耶計劃使用相同的技術來弄清楚其他氨基酸新增到程式碼中的順序。“它真正加強了程式碼本身的演化是一個漸進過程的觀點，”斯克裡普斯研究所的分子和細胞生物學教授保羅·席默說，他沒有參與這項研究。“它說明了大自然用來完善這些蛋白質的精細性和微妙性，以及它形成這棵巨大的生命之樹所需的多樣性。”
經《量子雜誌》許可轉載，《量子雜誌》是西蒙斯基金會的一個編輯上獨立的部門，其使命是透過報道數學、物理和生命科學的研究進展和趨勢，來增進公眾對科學的理解。