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。

空泛的原生湯鍋

「RNA為始」的理論面對了許多難以回答的問題:最早能自我複製的RNA是如何形成的?吉爾伯特描繪RNA從無生命的核酸湯中形成的景象,有著巨大的障礙。

RNA的基本單元核酸是結構複雜的有機物質,它含有一個糖分子、一個磷酸分子和四種含氮鹼基中的一 種。因此每一個RNA核酸都帶有9或10個碳原子、一些氮原子和氧原子,以及一個磷酸基,然後以精確的三維空間模式組合起來。同樣的成份可以有許多不同的 組合方式,形成數千種可串連的核酸,但這些分子都不是組成RNA的核酸。不過這個數字算小的了,因為大小相當但又非核酸類的穩定有機分子,種類類多達數百 萬。

這些適合組成RNA的核酸會自行形成的概念,衍生自1953年米勒(Stanley L. Miller)發表的一個著名實驗。他在裝有當時認為代表了地球早期大氣成份的容器中放電,然後發現容器內形成了胺基酸。在1969年掉落於澳洲的莫契遜 隕石裡,科學家也發現了胺基酸,顯然自然界中含有豐富的這類基本單元。一些科學家於是擴大解釋這些結果,認為所有生命基本物質都和米勒實驗一樣可輕而易舉 形成或存在於隕石中。然而事實並非如此。

和米勒實驗製造的胺基酸比起來,核酸可要複雜多了。胺基酸的基本特徵是含有一個胺基(一個氮原子和兩 個氫原子)和一個羧基(一個碳原子、兩個氧原子和一個氫原子),兩個化學基連接在同一個碳原子上。構成天然蛋白質的20種胺基酸中,最簡單的僅含有兩個碳 原子,另外17種胺基酸含有三個到六個碳原子。米勒實驗製造的胺基酸或其他物質,只含有兩個或三個碳原子。相對的,沒有任何放電實驗或隕石研究能製造或找 到任何核酸,顯然無生命世界偏好形成碳原子較少的分子,而不利於產生較多碳原子的分子,因此我們生命所用的核酸並不易形成。

為了彌補「RNA為始」概念的致命缺陷,其倡導者於是提出了一個原生合成(prebiotic synthesis)的學說。他們設想了所有的相關條件和原料,嘗試顯示RNA和其組成的成份可以在實驗室中,以一連串小心控制的反應而形成。

在此我們用一個比喻來描述這學說的問題:想像有個打高爾夫球的人在打完18洞之後,就假設沒有他揮 桿,球也可以自己完成球賽。這些研究者證明RNA可能形成,並假設只要時間夠長,一些自然力量(例如地震、風、龍捲風和洪水)組合在一起,也能製造出相同 的結果。自然形成RNA分子並不會違反物理定律,但是它的機會微乎其微。

一些化學家提出在「RNA世界」以前,可能有類似RNA但更簡單的複製子存在,並主宰了當時的世界。假設這個複製子也具有RNA一般的催化能力,由於現代生物學找不到任何這個假設中原始複製子和催化子的蛛絲馬跡,RNA出現後,一定取代了它所有的功能。

即使自然界提供了一個適合基本單元(不管是核酸或更簡單的分子)形成的原生湯,其成份自動組合出複製 子的困難度,更勝於製備這鍋原生湯。假設我們已經有一鍋這樣的基本單元湯,條件也利於長鏈的形成,湯中一定含有大量具有缺陷的單元,任何新鏈中加進了這類 缺陷單元,做為複製子的能力就會遭到破壞,最簡單的一種缺陷單元就是只有「單臂」可供連接的分子,它阻斷了長鏈進一步加長。

一個中性的自然世界,理論上各種單元會隨機組合,產生大量且多種中斷的短鏈,而不是具有複製和催化功能需要的均勻幾何結構長鏈。在我們可見的宇宙中若能形成這種結構一次,都堪稱極度幸運。

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