大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 开启生命之源的密钥:核糖体

开启生命之源的密钥:核糖体

“生命之树”理论

生命究竟是如何起源的?这可能是生物学中最难以回答的问题了。为了找到答案,生物学家做过许多研究。

19世纪,达尔文最先开始追寻生命的祖先,他提出了“生命之树”的理论。该理论认为,类似的物种都是由同一个原始祖先进化而来,因而属于同一个可以称之为“生命之树”的树状家谱。原始祖先位于家谱的“树基”处并延伸出“主干”,随后进化的新物种位于从“主干”分支出来的“枝杈”处,而“枝杈”又可分支出“枝丫”。时间较早、结构较简单的物种位于“生命之树”靠下的区域,复杂的现代生命则高居“树冠”,代表进化的巅峰。

但达尔文不能确定,所有现存的地球生命是否都属于同一棵“树”还是若干棵“树”。后来的生物学家考察了大量的化石以及古代地球化学作用的痕迹,提出了一种“共同祖先”假说,将所有生命划归到一个统一的“生命之树”中。

“共同祖先”假说认为,38亿年前,地球上只存在一种名为“LUCA”(“最后普遍共同祖先”的英文缩写)的生命,以“LUCA”为“主干”,“生命之树”分裂为三大“枝杈”:细菌、古细菌以及真核生物(人类便属于这一支),并一步步进化出今天地球上瑰丽多姿的生命世界。

原始生命的遗迹

那么如何证明生物有一个共同祖先的呢?

20世纪60年代,生物学家在探明了细胞的最基本的作用机理后,似乎找到了支持“共同祖先”假说的有力证据。他们发现,地球现存生命无一例外的都是利用核酸(RNA和DNA)来记载遗传信息的,然后利用被称为核糖体的大而复杂的分子根据遗传信息制造蛋白质。这种统一一致的生命活动方式表明,所有现存生命确实都源自“LUCA”,只是“LUCA”已经拥有完整的核糖体,其构造已经颇为精密,并非最原始的生命。

为了填补“LUCA”和最原始生命之间的理论空缺。生物学家长期在实验室模拟“生命之树”最底端的进程,他们煮了一锅又一锅盛满化学分子的“原始汤”,试图从中得到新的生命。不过,这种研究并没有得到令人信服的结果,生物学家即使能够生产出些许带有自我复制功能的分子材料,也无法证实生命起源与这种分子有关。所以,生物学家更希望从位于“生命之树”最顶端的现代生物着手,“自上而下”去追溯生命的原始祖先,他们发现,核糖体是个不错的“帮手”。

万变不离其宗

核糖体是细胞中的一个大分子,也可以看作是一个细胞器。它能利用遗传信息生产蛋白质,是生产蛋白质的机器。核糖体虽然结构非常复杂,功能重要,但生物学家发现,从高等的人类到低等的细菌,不同生命的核糖体其实非常相似——它们都有一个完全相同的“核心”,不同的是,各种生命的“核心”附有不同的遗传物质,可以制作不同功能的蛋白质。即低等生命的“核心”附有简单的遗传物质,制作简单功能的蛋白质;高等生命的“核心”附有复杂的遗传物质,制作功能复杂的蛋白质。这表明,核糖体随着生命的进化而不断改变着,其“核心”附有不同的遗传物质,就是新生命在进化过程中为实现更高级的生物功能而产生的变异。这些变异一层一层沉积到“核心”周围,而这个“核心”则保留了38亿年前“LUCA”的遗迹。

生物学家设想,如果能够收集各种生命的核糖体,将其附加的遗传物质逐个剥离,那么剥离处必然会在核糖体上留下痕迹——就好像从树干上砍掉枝杈,会留下圆孔一样的疤痕。生物学家只要深入研究附加的遗传物质“插入处”的“疤痕”,以及比较不同时代生物体的核糖体结构,便能够了解核糖体演化的主要规律。那么利用计算机模拟,生物学家进行“倒带回放”,就可以一步步还原“LUCA”之前生命的核糖体的样子,甚至看到核糖体进化的“起点”。

核糖体驱动生命起源

通过对比和计算机模拟,生物学家发现了核糖体最古老的部分——一段简短的被称为“摇篮”的原初核糖核酸(即原初RNA,它只能算是RNA的半成品,所以生物学家加上“原初”二字作为前缀)链条。“摇篮”不具备“LUCA”的核糖体所能够达到的复杂程度,它不具备传递遗传信息的能力,所以它不能生产蛋白质,但“摇篮”非常容易连接氨基酸以及其他分子。这种特性使生物学家相信,生命起源的第一步就是从这个古老的核糖体开始的。

在40亿年前,地球上发生的原始的化学反应生成了大量乱七八糟的小分子链条,这些链条与最早期的“摇篮”混合在一起,很容易发生合体反应。其中的一些小分子链条呈现的形状碰巧与“摇篮”上的“插槽”非常契合,那么这样的小分子与“摇篮”结合后生成的产物就更稳定,产物再与另外的小分子继续进行合体反应而得到长链分子(比如蛋白质、RNA)的概率就越大。渐渐地,“摇篮”不断地吸积分子,核糖体被建造得更大、更复杂,开始成为一团包含原初RNA和原初蛋白质的混合分子。

这时虽然仍未出现生命现象以及遗传信息,核糖体只是在经历化学进化,但是整个分子系统已经为生命的诞生做好了铺垫——核糖体在化学进化过程中,从原始分子中不断地挑选原初RNA和原初蛋白质。当这种化学进化进行到一定程度,蛋白质、RNA以及更加精密复杂的核糖体同时出现,我们熟悉的生命进化就正式开启了。

何处是产房?

生物学家曾经长期争论生命到底起源于何种环境中,是海底的热液喷口、火山温泉还是陆地上的粘土中?核糖体可能会为解答这个问题提供线索。“摇篮”与小分子链条合体生成长链的过程中,需要进行脱水反应,而脱水反应更容易在干燥的环境中发生,这表明早期的核糖体不太会在海洋中出现。所以生物学家推测,生命更有可能诞生在陆地池塘的边缘,那里时而潮湿,有利于化学分子的相互混合;时而干燥,有利于发生脱水反应。

另外,核糖体也帮助生物学家重新思考生命起源的理论模型。生命的标志性物质是DNA、RNA和蛋白质,DNA非常稳定,可以储存遗传信息,代代相传,但如果没有蛋白质的协助,便毫无用处,就像指挥员没有兵一样。蛋白质的缺点正好相反,它结构多样,能执行各种生物化学功能,却无法把信息传给下一代。只有RNA兼具DNA和蛋白质的能力。因此,生物学家提出了“RNA世界”假说,认为生命起源时,生物体仅由RNA分子组成。当“RNA世界”发展到某个阶段,新形态的RNA可能进化出生产蛋白质和DNA的能力。一旦DNA和蛋白质出现,便分摊了许多RNA的工作,这时“RNA世界”走到了尽头,被DNA世界取代。

“RNA世界”假说回答了生命起源中先有DNA还是先有蛋白质的问题,但该假说还有许多缺陷。比如,如果想让RNA行使蛋白质的功能,那么就它需要有蛋白质那样复杂的三维结构,但生命起源早期的RNA分子很难做到这一点,所以很难想象RNA具有行使蛋白质的功能。

又比如,生物学家很难解释“RNA世界”为何会结束。为什么生命不愿通过进化来继续完善已经存在很久的RNA体系,却要重新建立另外一套以DNA和蛋白质为基础的体系?这实在太激进了。

然而,在核糖体驱动生命起源的情境中,RNA和蛋白质是随着核糖体的化学进化共同出现的。这种情景既解释了遗传物质和蛋白质的先后问题,也使得生命起源的过程看上去更平稳。

生物学家表示,核糖体的研究填补了生命史在“LUCA”之前的理论空缺,他们还会继续优化核糖体的进化模型,以期从这一古老的时间胶囊中提取更多的信息。

---

转载请注明本文标题和链接:《开启生命之源的密钥:核糖体

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交