開啟生命之源的密鑰：核糖體

「生

命之樹」理論

生命究竟是如何起源的？這可能是生物學中最難以回答的問題了。為了找到答案，生物學家做過許多研究。

19世紀，達爾文最先開始追尋生命的祖先，他提出了「生命之樹」的理論。該理論認為，類似的物種都是由同一個原始祖先進化而來，因而屬於同一個可以稱之為「生命之樹」的樹狀家譜。原始祖先位於家譜的「樹基」處並延伸出「主幹」，隨後進化的新物種位於從「主幹」分支出來的「枝杈」處，而「枝杈」又可分支出「枝丫」。時間較早、結構較簡單的物種位於「生命之樹」靠下的區域，複雜的現代生命則高居「樹冠」，代表進化的巔峰。

但達爾文不能確定，所有現存的地球生命是否都屬於同一棵「樹」還是若干棵「樹」。後來的生物學家考察了大量的化石以及古代地球化學作用的痕迹，提出了一種「共同祖先」假說，將所有生命劃歸到一個統一的「生命之樹」中。

「共同祖先」假說認為，38億年前，地球上只存在一種名為「LUCA」（「最後普遍共同祖先」的英文縮寫）的生命，以「LUCA」為「主幹」，「生命之樹」分裂為三大「枝杈」：細菌、古細菌以及真核生物（人類便屬於這一支），並一步步進化出今天地球上瑰麗多姿的生命世界。

原始生命的遺迹

那麼如何證明生物有一個共同祖先的呢？

20世紀60年代，生物學家在探明了細胞的最基本的作用機理後，似乎找到了支持「共同祖先」假說的有力證據。他們發現，地球現存生命無一例外的都是利用核酸（RNA和DNA）來記載遺傳信息的，然後利用被稱為核糖體的大而複雜的分子根據遺傳信息製造蛋白質。這種統一一致的生命活動方式表明，所有現存生命確實都源自「LUCA」，只是「LUCA」已經擁有完整的核糖體，其構造已經頗為精密，並非最原始的生命。

為了填補「LUCA」和最原始生命之間的理論空缺。生物學家長期在實驗室模擬「生命之樹」最底端的進程，他們煮了一鍋又一鍋盛滿化學分子的「原始湯」，試圖從中得到新的生命。不過，這種研究並沒有得到令人信服的結果，生物學家即使能夠生產出些許帶有自我複製功能的分子材料，也無法證實生命起源與這種分子有關。所以，生物學家更希望從位於「生命之樹」最頂端的現代生物著手，「自上而下」去追溯生命的原始祖先，他們發現，核糖體是個不錯的「幫手」。

萬變

不離其宗

核糖體是細胞中的一個大分子，也可以看作是一個細胞器。它能利用遺傳信息生產蛋白質，是生產蛋白質的機器。核糖體雖然結構非常複雜，功能重要，但生物學家發現，從高等的人類到低等的細菌，不同生命的核糖體其實非常相似——它們都有一個完全相同的「核心」，不同的是，各種生命的「核心」附有不同的遺傳物質，可以製作不同功能的蛋白質。即低等生命的「核心」附有簡單的遺傳物質，製作簡單功能的蛋白質；高等生命的「核心」附有複雜的遺傳物質，製作功能複雜的蛋白質。這表明，核糖體隨著生命的進化而不斷改變著，其「核心」附有不同的遺傳物質，就是新生命在進化過程中為實現更高級的生物功能而產生的變異。這些變異一層一層沉積到「核心」周圍，而這個「核心」則保留了38億年前「LUCA」的遺迹。

生物學家設想，如果能夠收集各種生命的核糖體，將其附加的遺傳物質逐個剝離，那麼剝離處必然會在核糖體上留下痕迹——就好像從樹榦上砍掉枝杈，會留下圓孔一樣的疤痕。生物學家只要深入研究附加的遺傳物質「插入處」的「疤痕」，以及比較不同時代生物體的核糖體結構，便能夠了解核糖體演化的主要規律。那麼利用計算機模擬，生物學家進行「倒帶回放」，就可以一步步還原「LUCA」之前生命的核糖體的樣子，甚至看到核糖體進化的「起點」。

核糖

體驅動生命起源

通過對比和計算機模擬，生物學家發現了核糖體最古老的部分——一段簡短的被稱為「搖籃」的原初核糖核酸（即原初RNA，它只能算是RNA的半成品，所以生物學家加上「原初」二字作為前綴）鏈條。「搖籃」不具備「LUCA」的核糖體所能夠達到的複雜程度，它不具備傳遞遺傳信息的能力，所以它不能生產蛋白質，但「搖籃」非常容易連接氨基酸以及其他分子。這種特性使生物學家相信，生命起源的第一步就是從這個古老的核糖體開始的。

在40億年前，地球上發生的原始的化學反應生成了大量亂七八糟的小分子鏈條，這些鏈條與最早期的「搖籃」混合在一起，很容易發生合體反應。其中的一些小分子鏈條呈現的形狀碰巧與「搖籃」上的「插槽」非常契合，那麼這樣的小分子與「搖籃」結合後生成的產物就更穩定，產物再與另外的小分子繼續進行合體反應而得到長鏈分子（比如蛋白質、RNA）的概率就越大。漸漸地，「搖籃」不斷地吸積分子，核糖體被建造得更大、更複雜，開始成為一團包含原初RNA和原初蛋白質的混合分子。

這時雖然仍未出現生命現象以及遺傳信息，核糖體只是在經歷化學進化，但是整個分子系統已經為生命的誕生做好了鋪墊——核糖體在化學進化過程中，從原始分子中不斷地挑選原初RNA和原初蛋白質。當這種化學進化進行到一定程度，蛋白質、RNA以及更加精密複雜的核糖體同時出現，我們熟悉的生命進化就正式開啟了。

何處

是產房？

生物學家曾經長期爭論生命到底起源於何種環境中，是海底的熱液噴口、火山溫泉還是陸地上的粘土中？核糖體可能會為解答這個問題提供線索。「搖籃」與小分子鏈條合體生成長鏈的過程中，需要進行脫水反應，而脫水反應更容易在乾燥的環境中發生，這表明早期的核糖體不太會在海洋中出現。所以生物學家推測，生命更有可能誕生在陸地池塘的邊緣，那裡時而潮濕，有利於化學分子的相互混合；時而乾燥，有利於發生脫水反應。

另外，核糖體也幫助生物學家重新思考生命起源的理論模型。生命的標誌性物質是DNA、RNA和蛋白質，DNA非常穩定，可以儲存遺傳信息，代代相傳，但如果沒有蛋白質的協助，便毫無用處，就像指揮員沒有兵一樣。蛋白質的缺點正好相反，它結構多樣，能執行各種生物化學功能，卻無法把信息傳給下一代。只有RNA兼具DNA和蛋白質的能力。因此，生物學家提出了「RNA世界」假說，認為生命起源時，生物體僅由RNA分子組成。當「RNA世界」發展到某個階段，新形態的RNA可能進化出生產蛋白質和DNA的能力。一旦DNA和蛋白質出現，便分攤了許多RNA的工作，這時「RNA世界」走到了盡頭，被DNA世界取代。

「RNA世界」假說回答了生命起源中先有DNA還是先有蛋白質的問題，但該假說還有許多缺陷。比如，如果想讓RNA行使蛋白質的功能，那麼就它需要有蛋白質那樣複雜的三維結構，但生命起源早期的RNA分子很難做到這一點，所以很難想像RNA具有行使蛋白質的功能。

又比如，生物學家很難解釋「RNA世界」為何會結束。為什麼生命不願通過進化來繼續完善已經存在很久的RNA體系，卻要重新建立另外一套以DNA和蛋白質為基礎的體系？這實在太激進了。

然而，在核糖體驅動生命起源的情境中，RNA和蛋白質是隨著核糖體的化學進化共同出現的。這種情景既解釋了遺傳物質和蛋白質的先後問題，也使得生命起源的過程看上去更平穩。

生物學家表示，核糖體的研究填補了生命史在「LUCA」之前的理論空缺，他們還會繼續優化核糖體的進化模型，以期從這一古老的時間膠囊中提取更多的信息。

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