生命起源一直是現代科學中最受關注的大問題之一，要解開這個謎題，我們還需要找到太多問題的答案。我們所知道的生命其實基於一個複雜的相互作用的網路，這些相互作用發生奈米級在微觀尺度上，與數以千計的不同分子有關。在生物細胞中，有這樣一個基本過程每天都在無數次地重複發生——複製。

DNA中儲存著的遺傳資訊包含了製造生物體發育、生長和生存所必須的所有蛋白質的指令，透過複製過程，蛋白質能夠對這些編碼在DNA分子中的遺傳資訊進行復制，然後在細胞分裂時，將這些資訊均勻地分配到兩個子細胞中。接著，這些資訊會被有選擇地“轉錄”成信使RNA（mRNA）分子，信使RNA會被“翻譯”成最終能形成蛋白質的氨基酸鏈。

在信使RNA被“翻譯”成蛋白質的過程中，有一類起著核心作用的RNA——轉運RNA（tRNA）。轉運RNA在這個過程中負責將信使RNA翻譯成蛋白質，確保每種特定蛋白質所包含的氨基酸鏈都是按照相應順序排列的。

科學家想知道，在早期地球上，當第一批生命開始進化之時，轉運RNA所起的作用是如何產生的？

這個問題其實涉及到生命早期進化研究中的一個長期存在的“先有雞還是先有蛋”的問題：基因資訊的轉錄需要蛋白質，但蛋白質的合成依賴於基因資訊的轉錄，那麼究竟是先有製造蛋白質所需的DNA序列，還是先有轉錄和翻譯DNA所需的蛋白質？

現在，慕尼黑大學的一組研究人員發表了一項新的研究，為如何解決這個難題提供了新的見解。

作為生命進化的早期過程，複製和翻譯與其他過程一樣，並不是一蹴而就的，它們是進化過程積累的結果。在其發展過程中，一些基本現象，比如自複製、自催化、自組織和分室化等可能都發揮了重要作用。通常來說，這些物理和化學過程完全受環境中的非平衡條件所驅使，比如溫度變化等。

包含了遺傳資訊的轉運RNA是生物圈中最古老的分子之一。在新研究中，幾位生物物理學家對轉運RNA的遺傳密碼進行了微小改動，他們使用了一組以現代轉錄RNA的特徵形式為模型的互補DNA鏈，每個都含有兩個“髮夾”結構。所謂髮夾，是一種可部分自我互補配對形成的細長的環狀結構。

在對它們的序列進行測試後，研究人員發現在外部溫度條件發生了變化的情況下，這些有著微小突變的“早期”形式的轉運RNA可以自主地發生相互作用，自我組裝成能夠複製儲存在其序列中的資訊的複製因子。

溫度變化是透過四個過程驅使複製過程的：首先，透過快速冷卻，髮夾會被啟用形成閉合的構象；接著，從分子池中提取到的互補的鏈會與模板鏈中資訊匹配的部分配對；隨著時間的推移，鏈中的髮夾的波動能夠促進與相鄰鏈的雜化，形成穩定的主幹；再接著，當溫度在短時間內陡然升高，那麼模板鏈就會與新形成的複製因子分離，二者都可以在下一輪複製中作為模板鏈存在。

也就是說，這樣的系統可以透過互補配對形成複合體。根據配對模式，8個這樣的複製因子複合在一起能夠編碼4位二進位制程式碼，實現指數級的資訊複製能力。這是一個重要發現，它表明複製機制非常能夠抵抗由於錯誤積累而導致的系統崩潰。複製因子複合體本身的結構與現代轉運RNA相似，這一事實表明，在轉運RNA分子承擔其現代作用，將信使RNA序列翻譯成蛋白質之前，早期的轉運RNA就可能已經參與了分子複製過程。

研究人員表示，在生命的早期進化中，作為複製和翻譯之間的聯絡，轉運RNA可以為“先有雞還是先有蛋”問題提供一個解決方案，它證明了資訊的複製可以僅透過類轉運RNA分子之間的相互作用來實現，這個過程是由外部的非平衡物理環境所驅動的，比如實驗中的熱振盪，它不依賴於特定的酶或催化，僅僅需要依靠序列互補就能做到。

這些實驗加深了生物學家對早期生命起源的理解，闡明瞭轉運RNA在被用於翻譯之前所起的作用，同時也讓生物化學家離在實驗室中創造出能自我複製的分子機器的目標又近了一步。

#創作團隊：

編譯：糖獸

插圖：雯雯子

https://elifesciences.org/articles/63431

https://www.lmu.de/en/newsroom/news-and-events/news/origin-of-life-the-chicken-and-the-egg-problem.html

封面圖：Kudella / LMU