生命科學

生命起源比你想的更簡單

地球上突然出現RNA之類能自我複製的大分子,可能性微乎其微;但是由能量驅動的小分子反應循環,反而比較可能是生命的開始。

撰文/夏皮洛(Robert Shapiro)
翻譯/涂可欣

生命科學

生命起源比你想的更簡單

地球上突然出現RNA之類能自我複製的大分子,可能性微乎其微;但是由能量驅動的小分子反應循環,反而比較可能是生命的開始。

撰文/夏皮洛(Robert Shapiro)
翻譯/涂可欣

不平凡的發現可以讓人提出不平凡的主張。當華生(James Watson)宣佈他和克里克(Francis Crick)發現了DNA的結構後,克里克立即「飛奔到老鷹酒吧,告訴附近每個人:『我們已發現了生命的秘密。』」DNA優美的雙股螺旋結構,值得科學家投注熱情:這種結構讓遺傳訊息能夠以四種化學物質(鹼基)構成的字母來傳達下去,就像是英文使用26個字母來書寫一樣。

此外,這些資訊儲存的形式為兩條長鏈,兩條長鏈記錄了彼此的內容,這種安排顯示了雙螺旋的複製機制:DNA雙股螺旋的兩條長鏈在複製時會分開,帶有鹼基的DNA基本單元(核酸)會沿著剛分開來的兩條長鏈排列並連接,形成兩個新的雙股螺旋結構,這兩個都是原本DNA的複製品。

華生–克里克的DNA的結構,激發了排山倒海般有關活細胞運作方式的發現。諾貝爾獎得主繆勒(H. J. Muller)寫道,基因成份是「活生生的物質,是最早生命的現今代表」;天文學家薩根(Carl Sagan)想像它是「一個原始、裸露而活生生的基因,處於稀薄的有機物質溶液中。」(這裡的「有機」是指含碳原子的化合物,它們存在於生命中,也存在於非生命世界中)雖然人們對生命提出了許多不同的定義,而繆勒的看法和美國航太總署(NASA)的定義剛好一致:生命是能夠自我維續、進行達爾文式演化的化學系統。

道金斯(Richard Dawkins)在他的《自私的基因》一書中,詳細描述了最早的生命物質:「在偶然的機緣下,一個神奇的分子形成了。這種分子可能不是當時最大或最複雜的分子,但它有一個非常特別的性質:它能夠複製自己。讓我們稱它為『複製子』(replicator)。」道金斯在30年前寫下這段話時,DNA是最符合這個角色的候選者,後來研究人員又認為其他分子可能是最早的複製子,但我和一些科學家認為,複製子的生命起源模型有其根本的缺陷,我們傾向另一個比較有道理的概念。

當RNA統治世界

科學家很快就發現「DNA為始」理論的困境。DNA在複製時如果沒有一些蛋白質的幫助,就無法進行,而蛋白質是一群化學結構和DNA極為不同的大分子。DNA和蛋白質都是由一些基本單元串連形成的,DNA由核酸組成,蛋白質則由胺基酸組成。蛋白質是細胞內多才多藝的角色,像蛋白質家族中最為人知的酵素,就是扮演推手的角色,來加速原本過慢而無法用於生命的化學反應。今日細胞所用的蛋白質,都是根據儲存在DNA內的藍圖所建造出來的。

以上的描述讓我們回到了一個古老的謎題:先有雞,還是先有蛋?DNA帶有指示組裝蛋白質的方法,然而如果沒有蛋白質的幫忙,這些資訊也無法讀取或複製,那麼是哪一種大分子先出現?是蛋白質(雞),還是DNA(蛋)?

當科學家的焦點轉移到候選者RNA時,一個可能的解答浮現了。多才多藝的RNA和DNA一樣,是由在細胞內擔任了許多重要角色的核酸所構成。某些RNA可以將DNA的訊息轉達給負責建造蛋白質的核糖體(而核糖體主要由另一類RNA組成)。RNA在執行其各項任務時,可以形成和DNA一樣的雙股螺旋結構,也可以和蛋白質一樣以單股折疊成不同的構造。

1980年代初期,科學家發現了核糖(ribozyme),這是一種擁有酵素功能的RNA分子,此時雞與蛋的謎題終於有了一個簡單的答案:當第一個能自我複製的RNA分子出現時,生命誕生了。諾貝爾獎得主吉爾伯特(Walter Gilbert)於1986年在《自然》發表了一篇富含創意的文章,他寫道:「我們可以想像一個RNA的世界,裡面的成員僅有可催化自我合成的RNA分子因此當時演化的第一步,就是RNA發揮催化活性,在核酸湯中組裝自己。」在這觀點下,最早具有自我複製能力的RNA從無生命物質中誕生,執行各種現在是由RNA、DNA和蛋白質負責的功能。

其他許多線索也支持在生命演化歷程中RNA早於DNA和蛋白質出現。舉例來說,許多稱為輔、可幫助酵素催化反應的小分子,裡面也帶有無明顯功能的RNA核酸。科學家認為這種構造是「分子化石」,是DNA或蛋白質尚未出現、由RNA統馭生化世界的時代留下的遺跡。

不過這類線索僅能支持RNA早於DNA和蛋白質,並不能提供有關生命起源的資訊,在RNA世界之前,可能還有其他生命物體主宰的階段。然而科學家將兩個觀點混淆,統稱為「RNA世界」。在此我會用「RNA為始」來表示RNA與生命起源有關的概念,以和「RNA早於DNA和蛋白質」的概念區別。