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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?

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

1959 年,斯坦利·米勒 (Stanley Miller) 和哈罗德·尤里 (Stanley Miller) 和哈罗德·尤里 (Harold Urey) 在报告了原始地球条件下氨基酸的实验室合成后说:“关于生命起源的几个问题已经得到解答,但仍有许多问题有待研究。” 尽管取得了许多进展,但科学家们长期以来一直在努力解决一个基本问题——哪种遗传物质首先在原始地球上形成,是 DNA 还是 RNA,还是两者兼而有之? 现在有证据表明 DNA 和 RNA 可能在原始汤中共存,生命形式可能从那里进化出各自的遗传物质。

分子生物学的中心法则指出 的DNA & RNA & 蛋白质. 蛋白质是生物体中发生的大部分(如果不是全部)反应的原因。 生物体的整个功能主要取决于它们的存在和相互作用 蛋白质 分子。 根据中心法则,蛋白质是由包含在 的DNA 它通过称为RNA的信使转化为功能性蛋白质。 然而,蛋白质本身有可能在没有任何 DNA 或 RNA 的情况下独立生存,就像朊病毒(不包含 DNA 或 RNA 的错误折叠的蛋白质分子)一样,但可以独立生存。

因此,生命起源可以分为三种情况。

A) 如果蛋白质或其构建块能够在数十亿年前原始汤中存在的大气中以非生物方式形成,则蛋白质可以被称为 生命的起源. 支持它的实验证据来自斯坦利米勒的著名实验1,2,这表明当甲烷、氨、水和氢气的混合物混合在一起并循环通过放电时,会形成氨基酸的混合物。 七年后再次证实了这一点3 1959 年,Stanley Miller 和 Harold Urey 指出原始地球中还原气氛的存在导致在上述气体以及少量一氧化碳和二氧化碳存在下合成有机化合物。 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存在的条件来说太少了。 许多理论指出了含有过量 CO2 和 N2 和水蒸气的中性大气4. 然而,中性气氛也被认为是合成氨基酸的合理环境5. 此外,对于作为生命起源的蛋白质,它们需要自我复制,导致不同蛋白质的组合,以满足生物体中发生的不同反应。

B) 如果原始汤提供了积木的条件 的DNA 和/或要形成的RNA,那么其中任何一个都可能是遗传物质。 迄今为止的研究支持 RNA 作为生命形式起源的遗传物质,因为它们能够自我折叠,以单链形式存在并充当酶6,能够制造更多的 RNA 分子。 许多自我复制的RNA酶7 多年来的发现表明 RNA 是起始遗传物质。 约翰·萨瑟兰 (John Sutherland) 小组进行的研究进一步加强了这一点,该研究通过在混合物中加入磷酸盐导致在类似于原始汤的环境中形成两个 RNA 碱基8. 通过模拟还原气氛(包含氨、一氧化碳和水),类似于米勒-尤里实验中使用的气氛,然后通过放电和高功率激光通过它们,也可以形成 RNA 构建块9. 如果要相信 RNA 是鼻祖,那么 DNA 和蛋白质是何时以及如何产生的? 由于 RNA 和蛋白质的不稳定性质,DNA 是否后来发展为遗传物质。 所有这些问题的答案仍然没有答案。

C) DNA 和 RNA 可以在导致生命起源的原始汤中共存的第三种情况来自于 3 月发表的研究rd 2020 年 XNUMX 月,来自英国剑桥 MRC 实验室的 John Sutherland 小组。 研究人员模拟了数十亿年前原始地球上存在的条件,实验室里有浅水池。 他们首先在水中溶解形成 RNA 的化学物质,然后干燥和加热它们,然后将它们置于模拟原始太阳光的紫外线辐射下。 这不仅导致了 RNA 和 DNA 的两个组成部分的合成,表明这两种核酸在生命起源时共存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,作者希望推测另一种情况,其中所有三个重要的生物大分子,即。 DNA、RNA和蛋白质一起存在于原始汤中。 原始汤中存在的混乱条件,包括地球表面的化学性质、火山爆发以及氨、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水等气体的存在,可能是所有大分子形成的理想条件。 Ferus 等人的研究表明了这一点,其中核碱基是在相同的还原气氛中形成的9 用于米勒-尤里的实验。 如果我们相信这个假设,那么在进化过程中,不同的生物体采用了一种或另一种遗传物质,这有利于它们的生存向前发展。

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:

1. Miller S.,1953 年。在可能的原始地球条件下生产氨基酸。 科学。 15 年 1953 月 117 日:卷。 3046,第 528 期,第 529-XNUMX 页 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL、Lazcano A. 等人 2003 年。益生元汤——重温米勒实验。 科学 02 年 2003 月 300 日:卷。 5620,第 745 期,第 746-XNUMX 页 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

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

4. 卡斯廷 JF,霍华德 MT。 2006. 早期地球的大气成分和气候。 Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006)。 发布时间:07 年 2006 月 XNUMX 日。DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ、Chalmers JH 等人,2008 年。在中性行星大气中重新评估益生元有机合成。 Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008)。 DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR。 1986. 四膜虫的中间序列 RNA 是一种酶。 科学 31 年 1986 月 231 日:卷。 4737,第 470 期,第 475-XNUMX 页 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A、Attwater J 等人,2011 年。活性核酶的核酶催化转录。 科学 08 月 332 日:卷。 6026,第 209 期,第 212-2011 页(XNUMX 年)。 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. 在益生元合理条件下合成活化的嘧啶核糖核苷酸。 自然 459, 239–242 (2009)。 https://doi.org/10.1038/nature08013

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

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. 等。 2020 RNA 嘧啶和 DNA 嘌呤核苷的选择性益生元形成。 自然 582, 60–66 (2020)。 发布时间:03 年 2020 月 XNUMX 日。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

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拉杰夫·索尼
拉杰夫·索尼https://www.RajeevSoni.org/
Rajeev Soni 博士 (ORCID ID : 0000-0001-7126-5864) 拥有博士学位。 拥有英国剑桥大学生物技术学士学位,并在斯克里普斯研究所、诺华、诺维信、Ranbaxy、Biocon、Biomerieux 等全球多家机构和跨国公司工作 25 年,并担任美国海军研究实验室的首席研究员在药物发现、分子诊断、蛋白质表达、生物制造和业务发展方面。

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