生命的分子起源：首先形成的是什么——蛋白质、DNA 或 RNA 或它们的组合？

“关于生命起源的几个问题已经得到解答，但仍有许多问题亟待研究。”早在1959年，斯坦利·米勒和哈罗德·尤里在报告了在原始地球条件下实验室合成氨基酸之后就曾这样说道。尽管此后取得了诸多进展，但科学家们长期以来一直在努力解决一个根本性的问题——在原始地球上，首先形成的遗传物质是DNA还是RNA，抑或两者兼有？现在有证据表明，DNA和RNA可能都曾共存于原始汤中，生命形式可能正是从那里进化而来，并各自携带着不同的遗传物质。

分子生物学的中心法则指出，DNA生成RNA， RNA生成蛋白质。蛋白质负责生物体内绝大多数（如果不是全部）的反应。生物体的全部功能主要依赖于蛋白质分子的存在及其相互作用。根据中心法则，蛋白质是由DNA中包含的信息产生的，这些信息通过称为RNA的信使转化为功能性蛋白质。然而，蛋白质本身也可能在没有DNA或RNA的情况下独立存活，例如朊病毒（一种不含DNA或RNA的错误折叠蛋白质分子），它们可以独立生存。

因此，生命起源可以分为三种情况。

A) 如果蛋白质或其组成单元能够在数十亿年前原始汤的大气环境中非生物形成，那么蛋白质就可以被认为是生命起源的基础。支持这一观点的实验证据来自斯坦利·米勒著名的实验^{^1,2}，该实验表明，当甲烷、氨、水和氢气的混合物混合在一起并循环通过放电时，会形成氨基酸混合物。七年后^³，即1959年，斯坦利·米勒和哈罗德·尤里再次证实了这一结果，他们指出，原始地球上还原性大气的存在，使得在上述气体以及少量一氧化碳和二氧化碳的存在下，有机化合物得以合成。米勒-尤里实验的相关性多年来一直受到科学界的质疑，他们认为他们研究中使用的气体混合物相对于原始地球上的条件而言还原性过强。许多理论都指向一种中性大气，其中含有过量的二氧化碳、氮气和水蒸气^⁴。然而，中性大气也被认为是氨基酸合成的合理环境^⁵。此外，蛋白质要作为生命的起源，就需要能够自我复制，从而产生不同的蛋白质组合，以满足生物体内发生的各种反应。

B) 如果原始汤为DNA和/或RNA的形成提供了条件，那么它们中的任何一种都可能是遗传物质。迄今为止的研究倾向于认为RNA是生命起源的遗传物质，因为RNA具有自我折叠、以单链形式存在以及作为酶⁶（能够合成更多RNA分子）的能力。多年来，人们发现了一些能够自我复制的RNA酶^{7，这表明}RNA是最初的遗传物质。约翰·萨瑟兰（John Sutherland）的研究进一步强化了这一观点，他们在类似于原始汤的环境中，通过在混合物中加入磷酸盐，成功合成了两种RNA碱基^8。此外，通过模拟还原性气氛（含有氨、一氧化碳和水，类似于米勒-尤里实验中使用的气氛），然后向其中施加放电和高功率激光，也证明了RNA构建单元的形成⁹。如果RNA被认为是遗传物质的起源，那么DNA和蛋白质又是何时、如何产生的呢？DNA是否是因为RNA的不稳定性而后来才发展成为遗传物质，蛋白质也随之发展起来的？所有这些问题的答案至今仍未可知。

C) 第三种假设认为，DNA和RNA可以在生命起源的原始汤中共存。这一假设源于英国剑桥MRC实验室John Sutherland团队于2020年6月3日发表的研究^。研究人员在实验室中用浅水池模拟了数十亿年前原始地球的环境。他们首先将构成RNA的化学物质溶解在水中，然后将其干燥并加热，最后用模拟远古时期太阳光的紫外线照射。结果不仅合成了RNA的两种基本组成单元，还合成了DNA，这表明这两种核酸在生命起源时期共存^¹⁰。

根据当今存在的当代知识并尊重分子生物学的中心法则，DNA 和 RNA 共存导致生命起源和蛋白质形成的出现似乎是有道理的。

然而，作者希望设想另一种情景：所有三种重要的生物大分子，即DNA、RNA和蛋白质，都曾共同存在于原始汤中。原始汤中复杂的环境，包括地球表面的化学性质、火山喷发以及氨、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体和水的存在，可能正是所有这些生物大分子形成的理想条件。Ferus等人的研究为此提供了一些线索，他们在与Miller-Urey实验相同的还原性大气条件下，成功形成了核碱基^。如果我们相信这一假设，那么在进化过程中，不同的生物体选择了有利于自身生存的遗传物质。

然而，当我们试图了解生命形式的起源时，还需要更多的研究来回答关于生命如何起源和传播的基本和相关问题。 这将需要一种“开箱即用”的方法，而不依赖于当前科学所遵循的教条在我们的思维中引入的任何偏见。

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参考文献：

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3. Miller SL 和 Urey HC，1959。原始地球上的有机化合物合成。《科学》1959 年 7 月 31 日：第 130 卷，第 3370 期，第 245-251 页。DOI：https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

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5. Cleaves HJ, Chalmers JH 等 2008. 对中性行星大气中益生元有机合成的重新评估。生命起源与生物圈进化 38:105–115 (2008)。DOI：https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. 四膜虫的插入序列RNA是一种酶。Science 1986年1月31日：第231卷，第4737期，第470-475页 DOI：https://doi.org/10.1126/science.3941911

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9. Ferus M, Pietrucci F, 等 2017. Miller-Urey 还原气氛中核碱基的形成。PNAS 2017 年 4 月 25 日 114 (17): 4306-4311；首次发表于 2017 年 4 月 10 日。DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

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