生命的起源无疑是生物学中最重要的问题之一。无生命的分子是如何演变成我们今天看到的“无穷无尽的美丽形态”的？这个事件又发生在何处？一些最流行的理论认为，生命起源于一个地狱般的环境，即深层地热喷发出的超高温水的岩石海底热泉。但一篇新论文提出了一个替代的背景，它似乎与高温喷泉截然相反（双关语），那就是冰。与喷泉一样，冰冻的冰面似乎也不是生命起源的理想地点——如今它们几乎不是一个宜居的环境。但根据剑桥大学的詹姆斯·阿特沃特（James Attwater）的说法，冰拥有引发“复制子”分子（它们可以自我复制、变异和进化）所需的特性。当想到这些复制子时，DNA——几乎是生命的代名词的分子——就会跃入脑海。但是，一个独立 DNA 链的世界是没有意义的，因为这种著名的分子本身能做的很少。DNA 需要特殊的蛋白质才能自我复制，而它反过来又为制造蛋白质提供了蓝图。因此，无论是 DNA 还是蛋白质，在没有对方的情况下都不可能进化。鸡生蛋还是蛋生鸡的问题似乎令人困扰，但当你考虑一种叫做 RNA 的相关分子时，这个问题就变得无关紧要了。如今，RNA 消息是从 DNA 中编码的信息转录而来，然后再翻译成蛋白质。但 RNA 不仅仅是一个不起眼的中间人；事实上，它可能配得上成为主角。自 20 世纪 80 年代以来，人们已经清楚地认识到 RNA 完全有能力扮演其两个伙伴的角色。与 DNA 一样，它以四种“字母”（核苷酸）按特定顺序排列的形式存储信息。但与它的亲戚著名的双螺旋不同，RNA 通常是单螺旋，可以折叠成复杂的形状。其中许多可以像蛋白质一样加速化学反应。具有这种功能的 RNA 分子被称为核酶，它们甚至可以加速 RNA 本身的产生。因此，RNA 可以存储信息、加速化学反应，并在没有任何外部帮助的情况下进行自我复制。它也会进化——将其放入装有正确原材料和能源的试管中，它最终会越来越擅长自我复制。这种能力最早在 1972 年由索尔·斯皮格尔曼（Sol Spiegelman）证明，由此产生的效率极高的 RNA 链被戏剧性地称为 斯皮格尔曼的怪物。在 RNA 中，我们找到了原始复制分子的一个合理候选者，所有生命都源于此。诺贝尔奖得主 沃尔特·吉尔伯特（Walter Gilbert）在创造“RNA 世界”这个术语时，巧妙地概括了这一概念。这是一个极具感染力的短语，让人联想到一个比后来的 DNA 革命更早存在的、不断进化的 RNA 分子组成的星球。但 RNA 独特的物理特性还不够。这种分子也非常脆弱，在除最温和的环境条件下都会迅速降解。它也需要以某种方式浓缩。一个自我复制的分子需要与它的组成化学物质保持在同一位置；如果这些部分散开，整体就永远无法聚集在一起。所以 RNA 可能具有正确的性质，但它需要一个稳定且封闭的空间才能使 RNA 世界成为现实。阿特沃特认为冰就能提供这样一个空间。乍一看，这似乎是一个奇怪的想法。首先，低温可以将许多化学反应减慢到几乎停滞。组装 RNA 分子的蛋白质在冷冻时会停止工作。但请记住，核酶形式的 RNA 可以在没有任何蛋白质的情况下加速自身的产生。阿特沃特发现，一种名为 R18 的核酶在零度以下仍然活跃。事实上，冰实际上稳定了核酶，防止了它分解。在冰上，核酶比在室温下慢，但它也能持续工作更长时间。结果，它实际上生产力更高，以同样高的准确性产生了更长的 RNA。这样一来，一个问题解决了，但还有一个事实是冰是固体的。你可能会认为这会阻止分子轻易地相互接触，但冰并非完全是固体的。在微观层面，在晶体之间穿梭，存在着一个复杂的、尚未完全冻结的通道和空间网络。这些空间中的水是咸的；当周围的分子冻结时，任何溶解的杂质都被推开，并浓缩在剩余的液体中。阿特沃特发现，这个过程使液体隔间中的离子、核苷酸和其他化学物质的浓度提高了 200 多倍。这加速了核酶的工作，并极大地弥补了寒冷的影响。液体隔间提供了 RNA 分子有效繁殖所需的一切。在这些封闭的区域里，化学反应不像开放空间那样依赖于偶然性。浓缩的分子有很高的几率相互碰撞，并且扩散缓慢。当然，这种情况只有在原始地球上有大量冰的情况下才有可能发生。阿特沃特设想的是冰冻的湖泊和池塘，但十年前，这听起来可能有些牵强。科学家们普遍认为，在地球的早期，陆地和海洋的温度都非常高。但在过去十年中，各种研究表明，早期气候包含了更多温和的条件，这为冰的存在提供了可能性。这并不是说生命起源于冰。阿特沃特只是证明了冰为“寒冷的 RNA 世界”的启动提供了正确的条件。目前，几乎没有证据表明它确实是这样发生的；我们只知道它有可能。还有其他地方可以提供类似的条件，包括我在本文开头提到的海底热泉。它们也可以在岩石细胞中浓缩分子，而且它们的高温对许多化学反应有利。阿特沃特研究的负责人 菲尔·霍利格（Phil Holliger）指出，高温和高浓度的重金属会加速 RNA 的分解。“很难想象它们是 RNA 基础生命可能起源或繁盛的地方，”他说。但热泉的设想得到了数十年研究的支持。来自杜塞尔多夫大学的比尔·马丁（Bill Martin）确实认为它们是更有可能的选择。关于阿特沃特在冰上的工作，他说：“我想，有趣的实验，但冰中的洞与生命起源的关系就像电动烤面包机一样。”最终，正如我上周在关于复杂细胞起源的帖子中所写的那样，这些问题产生争论是可以预见的。正如霍利格承认的那样，“生命起源的实际事件是未知的，而且可能无法得知。可以检验的是理论的合理性和一致性。”参考文献： Nature Communications http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1076更多关于起源：树还是环：复杂细胞的起源
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