英格蘭、蘇格蘭和波蘭的科學家表示，DNA和RNA是構成地球生物學基礎的兩種主要現代遺傳密碼形式，可能在地球生命出現之前就已經以嚴格的配對形式共存於我們的星球上。研究人員使用一種基於氰化氫的化學系統，旨在模擬地球早期歷史的條件，製造了四種鹼基，即遺傳字母的分子“字母”。這些鹼基串聯在一起，形成基因序列，細胞將其翻譯成蛋白質。但令人驚訝的是，該團隊發現，他們的實驗始終產生的四種鹼基中，有兩種是DNA中發現的形式，而另外兩種是RNA中發現的形式。
這項研究發表在《自然》雜誌上，由英格蘭劍橋分子生物學醫學研究委員會實驗室的約翰·薩瑟蘭及其同事進行，進一步削弱了所謂的RNA世界假說。這個觀點長期以來一直是生命起源研究中最突出的觀點之一，它假設在DNA和其他對生命重要的分子出現之前很久，RNA就構成了地球生物圈的基礎。然而，迄今為止，幾乎沒有發現化學途徑可以製造出這種RNA獨有的系統，這種系統是該想法的僵化版本所採用的，或者可以導致DNA產生的。薩瑟蘭說：“人們傾向於認為RNA是DNA的母體。這篇[論文]表明它們是分子上的兄弟姐妹。”
然而，其他未參與這項研究的科學家質疑這種基於氰化氫的途徑所用條件的合理性。法國國家科學研究中心分子生物物理中心外生物學小組主任弗朗西斯·韋斯托爾指出，形成鹼基需要非常特定的條件。混合物需要乾燥並暴露於紫外線——這兩個障礙最容易在陸地上克服，但在我們地球被海洋覆蓋的四十多億年前的早期，陸地供應短缺。“這些條件當然在早期地球上存在，”韋斯托爾說。“它們不會那麼普遍，因為暴露的陸地面積不多。”儘管她補充說這項研究“巧妙”且“並非完全不可能”，但她總結說，“關於生命和生命前分子出現的地點，還有其他更好的假設。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
自1950年代初期美國研究人員斯坦利·米勒和哈羅德·尤里進行了一項里程碑式的實驗以來，關於合理性的爭論一直困擾著基於化學的探索，以瞭解地球上生命的起源。這對搭檔透過在裝有氫氣、水、氨氣和甲烷的燒瓶中觸發放電，模擬了早期地球大氣和海洋中閃電的影響。儘管他們的實驗著名地產生了對生物化學至關重要的大量有機分子，但幾十年來，其他研究人員一直在爭論其條件的合理性。儘管如此，米勒和尤里的工作表明，製造重要的物質相對簡單，例如連線起來形成蛋白質的氨基酸，蛋白質在活細胞內執行無數功能。與生命起源研究特別相關的是，蛋白質可以充當催化劑，增強並加速其他化學反應，否則這些反應會太慢或效率太低而無法合理地發生。但蛋白質並不是地球上生命興起背後唯一的可能催化劑。
在最終為分子生物學家西德尼·奧爾特曼和生物化學家托馬斯·切赫贏得了1989年諾貝爾化學獎的工作中，他們發現RNA——長期以來被認為僅僅是遺傳資訊的中間載體，服從於DNA——也可以充當催化劑。RNA世界假說表明，這種分子可以自我複製，從而在DNA和蛋白質存在之前實現早期進化。然而，薩瑟蘭說，這個想法“是對一項傑出發現的過度熱情、過度狂熱的反應”。
這種反應可能部分是因為，對於一個天真的化學家來說，從RNA躍遷到DNA看起來很容易。為了建立我們經常看到的盤繞成DNA標誌性雙螺旋的長鏈，鹼基首先連線到糖分子的“骨架”。這些組合構成了核苷：DNA中的脫氧核苷和RNA中的核糖核苷——與DNA表親不同，RNA形成單螺旋。核苷不使用食糖或蔗糖，而是RNA中的核糖和DNA中的脫氧核糖（不同的糖為每種物質提供了首字母）。兩種糖型別之間的區別很小：只有一個氧原子和一個氫原子。然而，這種差異足以使DNA和RNA具有不同的生物學作用。而從生物化學角度去除這些原子遠比簡單地擦除筆記本中代表它們的字母要困難得多。
RNA世界想法的另一個缺陷是在可能存在於早期地球的條件下製造核糖，然後將其連線到鹼基的難度。因此，薩瑟蘭和他的同事尋求更可能的方式來製造核糖和核糖核苷。他們最有希望的方法之一依賴於兩種被認為在地球早期大氣中相對豐富的氣體：硫化氫和氰化氫。當溶解在水中，沐浴在紫外線下並經歷乾燥迴圈時，這些簡單的化合物產生了許多更復雜的分子。它們包括氨基酸和甘油，甘油是脂肪分子的骨架，可以形成細胞的外壁。
薩瑟蘭去年將這種方法向前推進了一步。他與加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯研究所的拉馬納拉亞南·克里希納穆提團隊合作，他和他的同事表明，核糖核苷胞嘧啶和尿嘧啶可以轉化為脫氧核糖以及核苷和脫氧腺苷。現在——主要通過當時都在分子生物學實驗室的團隊成員徐建峰和瓦茨拉夫·赫梅拉的努力——研究人員取得了更大的進展。他們將該團隊先前研究中的一些中間分子與鹽（如亞硝酸鈉和氯化鎂）混合，這些鹽可能在原始地球上很普遍，然後分別將其置於酸性條件和熱條件下。透過這些步驟，科學家們發現了兩種可能途徑，將第四種鹼基，即不太常見的核苷肌苷，新增到他們已有的集合中。這種新增足以構成一個四字母遺傳字母表，其中鏈中的每個鹼基將專門與第二條鏈中的其他三個字母之一配對。這種鹼基配對互補性是現代RNA和DNA的工作方式。但在實驗中，兩個字母來自RNA，兩個字母來自DNA。
薩瑟蘭說，這種排列“表明製造RNA和DNA的化學過程並不像人們想象的那麼不同”。“人們傾向於認為RNA先於DNA出現，然後以某種方式被取代。對我來說，這表明你可能擁有RNA-DNA雜交體，然後它可能產生兩個獨立的分子。”然而，薩瑟蘭的團隊尚未將單個核苷和核糖核苷組裝成更長的鏈。這樣做很重要，因為表明雜交鏈確實可以形成並與夥伴鏈結合對於將這個想法超越推測至關重要。
對於佐治亞理工學院的生命起源研究員尼古拉斯·赫德來說，這是一個關鍵問題，他沒有參與這項研究。他稱其為“關於水基核苷合成的有機化學研究的優秀彙編”。但赫德不相信這篇論文解決了這些核苷是否真的在生物出現之前出現的問題。他自己的研究表明，氨基酸可能在RNA之前就已連線起來，以攜帶資訊並充當催化劑。赫德認為，進化會在漫長的地質時期內逐漸產生當前的遺傳系統。“如果從化學角度來看，一種分子非常難以製造，但它在生物學中卻能出色地發揮作用，那麼它很可能是在一段時間內進化而來的，”他說。出於同樣的原因，他也對RNA世界假說持懷疑態度。
此外，赫德認為，這項新研究依賴於嚴格的增量步驟，每個步驟都以嚴格的順序並在嚴格控制的條件下進行，這是一個明顯的弱點。赫德說，如果步驟順序發生變化或某些產物未被分離，薩瑟蘭和他的同事將製造出他們感興趣的物質要少得多。這種警告降低了這種情況在早期地球混亂環境中發生的可能性。
薩瑟蘭承認，在沒有時間機器回到地球上生命真正起源的情況下，“合理性是這個稀有研究領域的一切”。即便如此，他仍然堅定地支援他的團隊在建立通往生命組成部分的化學途徑方面的工作。“有許多、許多跡象指向氰化氫，”薩瑟蘭斷言。“這能證明這一切都來自氰化氫嗎？它不能證明。但對我來說已經足夠好了。”