今天所有已知的有機體都使用同樣的遺傳分子來存儲信息,也就是核酸。核酸有兩種:DNA(脫氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)。哪種遺傳信息載體開啟了地球上的生命,DNA還是RNA?科學家已為此爭論了很久。
一項最近發表在頂尖學術期刊《自然》上的研究首次通過實驗表明,在生命之初或許兩者都有,某些DNA和RNA的基本構件可以同時形成和共存於地球的「原始湯」中。
劍橋醫學研究委員會(MRC)分子生物學實驗室(LMB)的這項工作挑戰了關於生命起源的主流假說——「RNA世界」理論,該理論產生於20世紀60年代並被廣泛接受。
基因由DNA編寫「說明書」,DNA把信息轉錄為RNA,而RNA攜有製造蛋白質的說明。「RNA世界」理論認為,生命始於RNA分子:它既能儲存說明,也可以像個簡單機器一樣運作,這使其具有自我複製的潛力。該理論認為,經過演化,RNA世界的生命讓位於DNA和蛋白質的時代,因為DNA較RNA更為穩定持久。
在這項新研究中,研究者模擬了原始岩石地球上淺池的條件。他們將形成RNA的化學物質溶解於水中,隨後進行乾燥和加熱,再模擬早期太陽的輻射將其暴露於紫外線中。
在這場對早期地球化學的再現之中,合成兩種RNA基本組成部分的中間體同時也轉化為DNA的兩種基本組成部分。具體來說,核酸的四種基本構件,可以自相同條件及反應物中產生:胞苷(cytidine,C)和尿苷(uridine,U),是兩種RNA的組成部分;脫氧腺苷(deoxyadenosine,dA),是DNA的組成部分。脫氧腺苷部分轉化為脫氧肌苷(deoxyinosine,dI),是另一種DNA構件。
「至關重要的是,兩種DNA核苷可以與U和C形成鹼基對。」《自然》刊發的評論指出,「因此,U、C、dA和dI構成了一個完整的遺傳字母表。」這也可能是原始地球上最初的遺傳字母表。
「RNA世界假說認為:生命始於RNA,後來發生了遺傳替代——包括原始生物合成機制和自然選擇——結果產生了DNA。」 領導此項工作的科學家John Sutherland教授說,「我們的工作表明,在與原始淺池一致的條件下,混合有RNA和DNA基本成分的遺傳系統在生命的黎明是共存的。要讓生命在地球上自發出現,這滿足了一個很多人視作關鍵的前提。」
研究人員相信,這四種構件在生命演化出來以前已經共存,是原始遺傳字母表的開端。Sutherland教授補充道:「核酸——RNA和DNA——互有關聯,這項工作表明它們是從某個混合先祖分化而來,而不是一個產生另一個。」
「遺傳信息總是從核酸到蛋白質而不是反之,這被稱為分子生物學的『中心法則』。因此我們現在需要做的是搞清楚:核酸存儲和傳遞的那些信息,一開始如何被用於製造蛋白質。」
理解生命的化學起源是自然科學的基礎,並且能為未來合成生物學設計帶來啟迪。MRC分子和細胞醫學部門主管Megan Dowie博士評論說,「這項研究表明,無法立即得到應用的所謂『藍天研究』能揭示生命起源之初的迷人見解,也展現了支持基礎研究的重要性。生命科學的這類基礎性發現,將使人工生物學激動人心的未來戰略成為可能。」