開啟生命之源的密鑰：核糖體

李一橫

“生命之樹”理論

生命究竟是如何起源的？這可能是生物學(xué)中最難以回答的問題了。為了找到答案，生物學(xué)家做過許多研究。

19世紀(jì)，達(dá)爾文最先開始追尋生命的祖先，他提出了“生命之樹”的理論。該理論認(rèn)為，類似的物種都是由同一個(gè)原始祖先進(jìn)化而來，因而屬于同一個(gè)可以稱之為“生命之樹”的樹狀家譜。原始祖先位于家譜的“樹基”處并延伸出“主干”，隨后進(jìn)化的新物種位于從“主干”分支出來的“枝杈”處，而“枝杈”又可分支出“枝丫”。時(shí)間較早、結(jié)構(gòu)較簡單的物種位于“生命之樹”靠下的區(qū)域，復(fù)雜的現(xiàn)代生命則高居“樹冠”，代表進(jìn)化的巔峰。

但達(dá)爾文不能確定，所有現(xiàn)存的地球生命是否都屬于同一棵“樹”還是若干棵“樹”。后來的生物學(xué)家考察了大量的化石以及古代地球化學(xué)作用的痕跡，提出了一種“共同祖先”假說，將所有生命劃歸到一個(gè)統(tǒng)一的“生命之樹”中。

“共同祖先”假說認(rèn)為，38億年前，地球上只存在一種名為“LUCA”（“最后普遍共同祖先”的英文縮寫）的生命，以“LUCA”為“主干”，“生命之樹”分裂為三大“枝杈”：細(xì)菌、古細(xì)菌以及真核生物（人類便屬于這一支），并一步步進(jìn)化出今天地球上瑰麗多姿的生命世界。

原始生命的遺跡

那么如何證明生物有一個(gè)共同祖先的呢？

20世紀(jì)60年代，生物學(xué)家在探明了細(xì)胞的最基本的作用機(jī)理后，似乎找到了支持“共同祖先”假說的有力證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，地球現(xiàn)存生命無一例外的都是利用核酸（RNA和DNA）來記載遺傳信息的，然后利用被稱為核糖體的大而復(fù)雜的分子根據(jù)遺傳信息制造蛋白質(zhì)。這種統(tǒng)一一致的生命活動(dòng)方式表明，所有現(xiàn)存生命確實(shí)都源自“LUCA”，只是“LUCA”已經(jīng)擁有完整的核糖體，其構(gòu)造已經(jīng)頗為精密，并非最原始的生命。

為了填補(bǔ)“LUCA”和最原始生命之間的理論空缺。生物學(xué)家長期在實(shí)驗(yàn)室模擬“生命之樹”最底端的進(jìn)程，他們煮了一鍋又一鍋盛滿化學(xué)分子的“原始湯”，試圖從中得到新的生命。不過，這種研究并沒有得到令人信服的結(jié)果，生物學(xué)家即使能夠生產(chǎn)出些許帶有自我復(fù)制功能的分子材料，也無法證實(shí)生命起源與這種分子有關(guān)。所以，生物學(xué)家更希望從位于“生命之樹”最頂端的現(xiàn)代生物著手，“自上而下”去追溯生命的原始祖先，他們發(fā)現(xiàn)，核糖體是個(gè)不錯(cuò)的“幫手”。

萬變不離其宗

核糖體是細(xì)胞中的一個(gè)大分子，也可以看作是一個(gè)細(xì)胞器。它能利用遺傳信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，是生產(chǎn)蛋白質(zhì)的機(jī)器。核糖體雖然結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，功能重要，但生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從高等的人類到低等的細(xì)菌，不同生命的核糖體其實(shí)非常相似——它們都有一個(gè)完全相同的“核心”，不同的是，各種生命的“核心”附有不同的遺傳物質(zhì)，可以制作不同功能的蛋白質(zhì)。即低等生命的“核心”附有簡單的遺傳物質(zhì)，制作簡單功能的蛋白質(zhì)；高等生命的“核心”附有復(fù)雜的遺傳物質(zhì)，制作功能復(fù)雜的蛋白質(zhì)。這表明，核糖體隨著生命的進(jìn)化而不斷改變著，其“核心”附有不同的遺傳物質(zhì)，就是新生命在進(jìn)化過程中為實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的生物功能而產(chǎn)生的變異。這些變異一層一層沉積到“核心”周圍，而這個(gè)“核心”則保留了38億年前“LUCA”的遺跡。

生物學(xué)家設(shè)想，如果能夠收集各種生命的核糖體，將其附加的遺傳物質(zhì)逐個(gè)剝離，那么剝離處必然會(huì)在核糖體上留下痕跡——就好像從樹干上砍掉枝杈，會(huì)留下圓孔一樣的疤痕。生物學(xué)家只要深入研究附加的遺傳物質(zhì)“插入處”的“疤痕”，以及比較不同時(shí)代生物體的核糖體結(jié)構(gòu)，便能夠了解核糖體演化的主要規(guī)律。那么利用計(jì)算機(jī)模擬，生物學(xué)家進(jìn)行“倒帶回放”，就可以一步步還原“LUCA”之前生命的核糖體的樣子，甚至看到核糖體進(jìn)化的“起點(diǎn)”。

核糖體驅(qū)動(dòng)生命起源

通過對(duì)比和計(jì)算機(jī)模擬，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了核糖體最古老的部分——一段簡短的被稱為“搖籃”的原初核糖核酸（即原初RNA，它只能算是RNA的半成品，所以生物學(xué)家加上“原初”二字作為前綴）鏈條。“搖籃”不具備“LUCA”的核糖體所能夠達(dá)到的復(fù)雜程度，它不具備傳遞遺傳信息的能力，所以它不能生產(chǎn)蛋白質(zhì)，但“搖籃”非常容易連接氨基酸以及其他分子。這種特性使生物學(xué)家相信，生命起源的第一步就是從這個(gè)古老的核糖體開始的。

在40億年前，地球上發(fā)生的原始的化學(xué)反應(yīng)生成了大量亂七八糟的小分子鏈條，這些鏈條與最早期的“搖籃”混合在一起，很容易發(fā)生合體反應(yīng)。其中的一些小分子鏈條呈現(xiàn)的形狀碰巧與“搖籃”上的“插槽”非常契合，那么這樣的小分子與“搖籃”結(jié)合后生成的產(chǎn)物就更穩(wěn)定，產(chǎn)物再與另外的小分子繼續(xù)進(jìn)行合體反應(yīng)而得到長鏈分子（比如蛋白質(zhì)、RNA）的概率就越大。漸漸地，“搖籃”不斷地吸積分子，核糖體被建造得更大、更復(fù)雜，開始成為一團(tuán)包含原初RNA和原初蛋白質(zhì)的混合分子。

這時(shí)雖然仍未出現(xiàn)生命現(xiàn)象以及遺傳信息，核糖體只是在經(jīng)歷化學(xué)進(jìn)化，但是整個(gè)分子系統(tǒng)已經(jīng)為生命的誕生做好了鋪墊——核糖體在化學(xué)進(jìn)化過程中，從原始分子中不斷地挑選原初RNA和原初蛋白質(zhì)。當(dāng)這種化學(xué)進(jìn)化進(jìn)行到一定程度，蛋白質(zhì)、RNA以及更加精密復(fù)雜的核糖體同時(shí)出現(xiàn)，我們熟悉的生命進(jìn)化就正式開啟了。

何處是產(chǎn)房？

生物學(xué)家曾經(jīng)長期爭論生命到底起源于何種環(huán)境中，是海底的熱液噴口、火山溫泉還是陸地上的粘土中？核糖體可能會(huì)為解答這個(gè)問題提供線索。“搖籃”與小分子鏈條合體生成長鏈的過程中，需要進(jìn)行脫水反應(yīng)，而脫水反應(yīng)更容易在干燥的環(huán)境中發(fā)生，這表明早期的核糖體不太會(huì)在海洋中出現(xiàn)。所以生物學(xué)家推測，生命更有可能誕生在陸地池塘的邊緣，那里時(shí)而潮濕，有利于化學(xué)分子的相互混合；時(shí)而干燥，有利于發(fā)生脫水反應(yīng)。

另外，核糖體也幫助生物學(xué)家重新思考生命起源的理論模型。生命的標(biāo)志性物質(zhì)是DNA、RNA和蛋白質(zhì)，DNA非常穩(wěn)定，可以儲(chǔ)存遺傳信息，代代相傳，但如果沒有蛋白質(zhì)的協(xié)助，便毫無用處，就像指揮員沒有兵一樣。蛋白質(zhì)的缺點(diǎn)正好相反，它結(jié)構(gòu)多樣，能執(zhí)行各種生物化學(xué)功能，卻無法把信息傳給下一代。只有RNA兼具DNA和蛋白質(zhì)的能力。因此，生物學(xué)家提出了“RNA世界”假說，認(rèn)為生命起源時(shí)，生物體僅由RNA分子組成。當(dāng)“RNA世界”發(fā)展到某個(gè)階段，新形態(tài)的RNA可能進(jìn)化出生產(chǎn)蛋白質(zhì)和DNA的能力。一旦DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)，便分?jǐn)偭嗽S多RNA的工作，這時(shí)“RNA世界”走到了盡頭，被DNA世界取代。

“RNA世界”假說回答了生命起源中先有DNA還是先有蛋白質(zhì)的問題，但該假說還有許多缺陷。比如，如果想讓RNA行使蛋白質(zhì)的功能，那么就它需要有蛋白質(zhì)那樣復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但生命起源早期的RNA分子很難做到這一點(diǎn)，所以很難想象RNA具有行使蛋白質(zhì)的功能。

又比如，生物學(xué)家很難解釋“RNA世界”為何會(huì)結(jié)束。為什么生命不愿通過進(jìn)化來繼續(xù)完善已經(jīng)存在很久的RNA體系，卻要重新建立另外一套以DNA和蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的體系？這實(shí)在太激進(jìn)了。

然而，在核糖體驅(qū)動(dòng)生命起源的情境中，RNA和蛋白質(zhì)是隨著核糖體的化學(xué)進(jìn)化共同出現(xiàn)的。這種情景既解釋了遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)的先后問題，也使得生命起源的過程看上去更平穩(wěn)。

生物學(xué)家表示，核糖體的研究填補(bǔ)了生命史在“LUCA”之前的理論空缺，他們還會(huì)繼續(xù)優(yōu)化核糖體的進(jìn)化模型，以期從這一古老的時(shí)間膠囊中提取更多的信息。