Szostak認為,最早的細胞是在陸地上的池塘或水坑中發育的,可能是在火山活動區。紫外線、雷擊和火山噴發都可能引發了生命形成所必需的化學反應。
地球誕生時,一片混亂。流星和雷暴很可能轟炸了地球表面,除了無生命的化學物質之外,其他任何生命都無法倖免。數十億年前,在這種錯綜複雜的化學環境中如何形成生命是一個謎。現在,一項新的研究提供了證據,表明最初的生命建造模組可能與他們的環境相匹配:比以前認為的更混亂。
生命是由三個主要部分組成的:RNA、DNA(對如何執行和繁殖細胞進行程式設計的遺傳密碼)以及執行指令的蛋白質。最有可能的是,第一個細胞具有全部三個部分。隨著時間的流逝,它們不斷生長和繁殖,在達爾文的遊戲中競爭,創造了當今生活的多樣性:細菌、真菌、狼、鯨魚和人類。
但是首先,RNA,DNA或蛋白質必須在沒有其同伴的情況下形成。一種常見的理論被稱為“RNA世界”假設,因為與DNA不同,RNA可以自我複製,因此該分子可能首先出現。儘管最近的研究發現了分子的核苷酸(構成其骨架的A,C,G和U)是如何由地球早期可獲得的化學物質形成的,但一些科學家認為,這一過程可能並非如此簡單。
“多年前的天真想法是,在原始地球上可能存在核糖核苷酸濃湯,這是‘分子生物學家的夢想’。”,傑克·紹斯塔克(Jack Szostak),諾貝爾獎得主,化學和化學生物學教授,哈佛大學遺傳學博士,霍華德·休斯醫學研究所研究員,說:“但是如何從相對不同的起始原料的複雜混合物中產生相對現代的同質RNA尚不清楚。”
紹斯塔克及其同事在《美國化學學會雜誌》上發表的一篇論文中提出了一種有關RNA如何出現的新模型。他和他的團隊提出了一個類似科學怪人(Frankenstein)的開始,而不是一條幹淨的道路,RNA從具有類似化學結構的核苷酸混合物中生長出來:阿拉伯核酸、脫氧核糖核酸和核糖核酸(ANA,DNA和RNA)。
在地球的化學熔爐中,理想的RNA不可能自動形成。核苷酸的許多版本很可能融合在一起,形成具有現代RNA和DNA片段的拼湊分子,以及很大程度上失靈的遺傳分子,例如ANA。這些嵌合體,如希臘神話中的雜交獅子、鷹和蛇等龐然大物,可能是邁向當今RNA和DNA的第一步。
該論文的第一作者,化學博士後研究員金秀賢(Seohyun Kim)說:“現代生物學依靠相對均質的構件來編碼遺傳資訊。”因此,如果紹斯塔克和金是正確的,而科學怪人分子(Frankenstein molecules,Frankenstein瘋狂的製造人造生命)是最早出現的,為什麼他們會進化為同質RNA?
金博士對它們進行了測試:他將潛在的原始雜交體與現代RNA進行比較,手動複製嵌合體以模仿RNA複製的過程。他發現,純RNA比異質同類更好、更有效、更精確、更快。在另一個令人驚訝的發現中,金博士發現嵌合寡核苷酸(如ANA和DNA)可以幫助RNA進化複製自身的能力。他說:“有趣的是,這些變異核糖核苷酸中的一些已顯示出與複製RNA模板相容甚至有益於RNA模板的複製。”
如果更高效的早期RNA的複製速度快於其雜交同類產品,那麼隨著時間的流逝,它將超過競爭對手。這就是紹斯塔克團隊理論上在原始湯中發生的事情:雜種長成現代的RNA和DNA,然後超過了祖先,並最終取代了祖先。
紹斯塔克說:“不需要原始的純構件塊。隨著時間的流逝,RNA複製的內在化學原理將導致合成越來越多的勻質的RNA。正如金博士清楚地表明的那樣,其原因是當不同種類的核苷酸競爭模板的複製時鏈,贏的總是RNA核苷酸,合成的總是RNA,而不是任何其它相關種類的核酸。”
到目前為止,研究小組僅測試了地球早期可用的可能變異核苷酸的一小部分。因此,就像那些凌亂的RNA的最初部分一樣,他們的工作才剛剛開始。