生命的秘密（三）：自我複製
編者按：
所有長青的生命都必須想出一個辦法讓自己適應滄海桑田的環境變化，抵抗生命譜系的衰退和滅亡。對於地球生命而言，不斷的自我複製是適應變化抵擋衰亡的不二法門。現代科學告訴我們DNA和蛋白質對於生命的自我複製缺一不可，那麼地球最初的生命又是如何開啟自我複製的呢？
撰文 | 王立銘（浙江大學生命科學研究院教授）
責編 | 徐可
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在上一篇文章里我們講到了能量，講到了原始地球的海洋里出現了構造生命的磚塊，也講到了化學滲透理論啟動了生命大廈的建築師。
但是僅僅有能量是不夠的。
能量的持續注入確實可以構建出充滿秩序的生命大廈，儘管輝煌美麗，但卻有一個致命的問題——非常畏懼變化、非常脆弱。
我們可以想像，哪怕是一點微小的變化，比如第29層的大梁短了一毫米，東南角地基的混凝土粘度高了百分之一——理論上都可能威脅到一座摩天大樓的安全。生命大廈的歷史越久遠，這些微小變化就越能夠不斷累積，直至讓大廈千瘡百孔，直至走向坍塌、衰退和死亡。而反過來，如果大廈堅固強硬到一絲不動呢？也不行，因為地球本身是在變化的！如果生命永遠一成不變，那麼慢慢累積的環境改變也必然會殺死生命，世界上沒有能適應所有環境的超級生命存在。
因此那些能夠綿延不休枝繁葉茂的地球生命，都必須想出一個辦法增強自己抵抗衰退和死亡的能力。
地球生命的解決方案就是今天故事的主角：自我複製。也就是說，面對隨時可能出故障的自我，面對難以捉摸的環境，不停地製造更多的自己。
01
最簡單的生命什麼樣？
至少從邏輯上看，不斷的自我複製確實是對抗自身衰退和環境變遷的法寶。一方面，自我複製可以為生命留下多個拷貝，這樣就算某些生命個體因為致命的意外而死亡，它至少還有許多個「自己」活在世上。另一方面，不斷的自我複製過程中會出現難以避免的微小錯誤和變化，這些錯誤反而讓生命具備了適應地球環境變化的可塑性。
而至少在地球的自然史上，自我複製正是生命的標誌之一。人類男女結合繁衍後代，鮮花靠蜜蜂把花粉傳播四方，肉眼看不見的細菌也可以一分為二二分為四的分裂產生更多的自己。就連活在生命定義邊緣的病毒，一旦進入宿主的細胞中也會瘋狂複製自己。
這裡，我們不妨構造一個極端簡化的生命來探討一下生命自我複製的原理。
我們首先假想的生命（就叫它生命1.0吧）只有一個元件。首先是一個特別的蛋白質分子——我們剛剛故事裡講過的、為生命製造能量的ATP酶。通過我們之前的討論大家已經看到的，如果地球生命真的可以簡化到只有一個蛋白質，那麼ATP酶入選的概率幾乎是100%。這個古老的蛋白質大約由五百多個氨基酸分子構成，能蜷曲摺疊成一個複雜的、帶有三個葉片和一個管道的三維結構，通過飛速的旋轉不停地生產能量。
但是生命1.0是難以自我複製的。從上一篇故事裡大家已經知道，ATP酶有一個極端精巧和複雜的三維立體結構，每個維度上原子排列的精確度達到零點幾個納米的水平。漫說想要一絲不錯地複製一個這樣的結構非常困難，即便是想要看得清楚一點都不容易。難以自我複製的生命1.0註定要孤獨一生——而且它的一生一定非常短暫。
為了解決自我複製的技術困難，我們想出一個辦法是把三維的空間信息轉化成一維的線性信息。比如說，我們可以給生命1.0稍作升級為2.0版，加入一條長長的脫氧核糖核酸（DNA）鏈條。這條長鏈上按照某種古老的密碼，忠實的記錄了構成ATP酶每一個氨基酸的信息。每次生命2.0需要自我複製的時候，只需要依樣畫葫蘆的抄寫一遍DNA鏈就行了——因為DNA密碼本上記錄的信息可以指導製造更多的ATP酶——而與此同時複製一條DNA鏈要比直接複製ATP酶的三維結構省心省力得多。
在上世紀五十年代，詹姆斯.沃森（James Watson）和弗朗西斯.克里克（Francis Crick）通過利用來自羅莎琳.富蘭克林（Rosalind Franklin）獲得的DNA的X射線衍射圖譜，建立了DNA的雙螺旋模型，並幾乎是立刻猜測到了DNA是如何自我複製的。簡單來說，就像蛋白質是由20種氨基酸磚塊組合而成的，DNA也有它獨有的磚塊：四種不同的核苷酸分子（可以簡單的用A/T/G/C四個字母指代）。每條DNA鏈條都是由這四種磚塊首尾相連組成的。特別重要的是，ATGC四種分子能夠兩兩配對形成緊密的連接，A和T，G和C。因此可以馬上想像，一條順序為AATG的DNA可以和一條CATT的DNA首尾相對的配對組合纏繞在一起。這樣的配對方法特別適合DNA密碼的自我複製：AATG和CATT兩條纏繞在一起的鏈條首先分離開來，兩條單鏈再根據配對原則安裝上全新的核苷酸分子，例如AATG對應上CATT，而CATT則裝配了AATG，由此一個DNA雙螺旋就變成了完全一樣的兩個DNA雙螺旋。DNA的複製過程異常精確，複製出錯的概率僅有10的九次方分之一。（圖片來自英文維基百科）
那麼簡單而強大的生命2.0是不是要雄霸地球生物圈了呢？不行，事實上這樣的生命根本就不可能存在！DNA是一種化學上非常穩定的分子，在自然條件下一根光禿禿的DNA鏈條根本就什麼都不會發生，既不可能自我複製也不可能製造出ATP酶來。就像一本寫滿了字母的密碼本要是沒有人抄寫沒有人解讀它自己什麼也做不了。
好吧，不氣餒的我們繼續升級出生命3.0。這次，我們需要蛋白質種類就多了許多，除了負責生產能量的ATP酶之外，至少還有一大堆負責DNA複製的蛋白質幫手——有負責把高度摺疊的DNA展開變成長線，有的負責在長線上定位到底從哪裡開始複製，有的負責運送複製所需的原材料，有的負責填補複製當中的缺口。同時還需要一大堆蛋白質幫手根據DNA密碼本的信息製造ATP酶——有的負責讀取DNA密碼本的信息，有的負責搬運蛋白質的原料氨基酸，有的負責氨基酸的裝配順序等等。相應的，DNA密碼本的厚度也就要多出好多倍，不光要記錄ATP酶的製造密碼，還需要記錄那些蛋白質幫手們的製造密碼。生命3.0的命運如何？
還差一點點。
根據我們上面的描述大家就能猜想到，蛋白質和DNA密碼本對於生命的生存和複製來說，是需要緊密合作缺一不可的。因此因此我們必須想出一個辦法，把這些東西統統聚攏到一起、保護起來。否則蛋白質也好DNA也好，很容易在危險的自然環境中擴散的無蹤無影誰也找不到誰。那我們必須用一張緻密的網把所有這些林林總總的蛋白質和DNA都給包裹起來——這次就叫生命4.0吧。
嗯，這下確實有點極簡版地球生命樣子了！我們權且相信我們製造的生命4.0能夠在地球上生存下來，因為它能夠不斷地從環境中攫取能量供自身消耗，也能不停地自我複製對抗衰退和死亡。但是問題是，生命4.0真的有可能在四十億年前魔法般的自發出現么？換句話說，生命4.0的構想，有可能真的模擬了地球生命的起源么？
02
雞生蛋還是蛋生雞？
很遺憾，答案是不可能。
這類似雞生蛋還是蛋生雞的問題。我們已經看到，蛋白質的全部信息都儲存在DNA密碼本之中，DNA密碼本指導了蛋白質的製造。因此讓我們權且假定DNA是「雞」，蛋白質是它下的「蛋」。但是同時我們也已經知道，一條孤零零的DNA是沒有辦法干任何事情的，它依賴各種蛋白質的幫忙才能實現自我複製，同樣也要依賴蛋白質的幫忙才能製造出蛋白質。沒有蛋白質「蛋」提前準備好，DNA「雞」根本沒法繼續生「蛋」！
換句話說，我們設計的生命4.0想要自發出現在原始地球的海洋里，唯一的可能就是大自然同時造就了互相匹配的「雞」和「蛋」。而且「雞」和「蛋」還必須幾乎同時出現、距離無比接近、才有可能配合起來造就生命。要是一陣電閃雷鳴中一隻DNA雞被創造了出來，但是沒有等到那隻冥冥中註定的蛋，這隻DNA雞隻能沉默著走向分解破碎，因為它自己什麼也做不了。而反過來，要是那個蛋白質蛋率先在海底的熱泉口奇蹟現身，因為沒有DNA幫它保留和傳遞密碼，這隻蛋就算能勉強生存和工作幾下，也必然會在不斷地錯誤積累中走向衰退和死亡。而你如果期待雞和蛋同時降臨凡間，而且這隻石頭縫裡蹦出來的DNA雞正好就忠實的記錄了那個蛋白質蛋的所有信息，你可能必須相信冥冥中有天意在眷顧地球生命了！
那怎麼辦？生物學對此的回答是非常耐人尋味的：既不是先有蛋，也不是先有雞。事實上，很可能生命出現的時候，雞和蛋都還沒有蹤影呢。
讓我們再回顧一下生命4.0的基本設計原則吧。DNA負責記錄蛋白質的製造密碼，蛋白質負責維持生命活動和幫助DNA複製自身。好像是個挺簡單的系統是不是？在自然界，簡單往往意味著高效、意味著節約、意味著更容易自發出現。但是很讓人意外的是，今天的地球生命看起來不約而同選擇了更複雜、相對也就更容易出錯和更浪費的辦法。它們當中的絕大多數都不是DNA+蛋白質的二元化結構，中間平白無故的多了一個東西：核糖核酸（RNA）。
依據中心法則，DNA的自我複製保證了遺傳信息的傳遞和生命的生生不息，DNA也通過指導蛋白質合成決定了生命活動的形態。RNA的產生則是其中的一個中間步驟，一方面RNA忠實抄寫了DNA的密碼信息，一方面RNA直接指導了蛋白質的製造。值得指出的是，地球生命中也有不少自外於中心法則的生命。比如某些病毒並沒有DNA，直接利用RNA來存儲遺傳信息並指導蛋白質合成（例如流感和丙肝病毒）。也有一些病毒雖然使用DNA，但是和前圖中不同，它們僅有一條單鏈DNA，只是在啟動自我複製的時候才變成雙螺旋。（圖片來自biology.tutorvista.com）
RNA是一種長相酷似DNA的化學物質，兩者的唯一區別就是化學骨架上的一個氧原子。對於我們的生命4.0系統來說，RNA感覺像二郎神的第三隻眼睛一樣怪異多餘。當生命開始活動的時候，DNA密碼本的信息首先忠實的謄抄到RNA密碼本上，然後RNA再去指導蛋白質的裝配。加上RNA的生命，姑且就叫他生命5.0好了，實在是看不出有什麼優勢來。打個比方，原本在車間里，一個經理直接指導工人幹活就挺好的，命令傳達簡單快捷還不容易出錯。現在非要給經理配一個主管，每一道命令都必須由經理告訴主管，主管再告訴工人。直覺告訴我們這樣的系統一定更存在命令走樣變形，人際關係複雜多變的問題，更不要說還得多付這個主管的工資了！
然而這套所謂的「中心法則」幾乎成了所有地球生命的中心。這種巨大的反差驅使人們從反方向思考，也許DNA-->RNA-->蛋白質的系統有極其深遠但仍不為人所知的意義，以至於儘管看起來如此多餘、低效和浪費的系統能夠挺過嚴酷多變的地球環境以及物種競爭，保留在絕大多數地球生命的身體里。
事實上，早在上個世紀中葉，中心法則剛剛被提出的時候就已經開始有人問這樣的問題了。例如1968年，DNA雙螺旋的發現者之一克里克就在一篇文章中大膽的猜測也許看起來多餘的RNA才是最早的生命形態。他甚至說，「我們也不是不能想像，原始生命中根本沒有蛋白質、而是完全由RNA組成的」。但是猜想畢竟只是猜想，看似無用的RNA反而可能是最早的生命，重要的DNA雞和蛋白質蛋反而僅僅是RNA的後代和附屬品——這樣的想法可以引發很多哲學上有趣的思考，但是很少有人期待真的在自然界或者實驗室里驗證它。
03
核酶：RNA的兩副面孔
1978年，30歲的生物化學家湯姆·切赫（Tom Cech）來到美麗的山城、美國科羅拉多州的邦德建立了自己的實驗室。他的研究興趣和我們講到過的中心法則很有關係。
我們已經知道，RNA是一種連接了DNA和蛋白質之間的分子。它謄抄了DNA密碼本的信息，然後再開工製造蛋白質。不過早在1960年代人們就已經發現，RNA密碼本其實倒並不是一字不差謄抄了DNA密碼本的信息。例如DNA密碼本中往往會寫著大段大段看起來沒有什麼特別用處的「廢物」字母（它們的學名叫做「內含子」）。在抄寫RNA密碼本的時候，生物會首先老老實實地謄抄這些廢物字母，之後再將他們整頁撕去，整理出更精簡更經濟的一本密碼本。
切赫當時的興趣就是研究這種被叫做「RNA剪接」——也就是如何撕去密碼本中間多餘的紙張——的現象。他使用的研究對象是嗜熱四膜蟲，一種分布廣泛的淡水單細胞生物。嗜熱四膜蟲是一種很經典的模式生物，很容易大量培養，它個頭很大（直徑有30-50微米），也很方便進行各種顯微操作。而研究RNA剪接也是分子生物學黃金年代裡炙手可熱的話題之一，畢竟它關係到遺傳信息如何最終決定了生物體五花八門的生物活動和性狀。
這種看起來不起眼的單細胞生物孕育了上世紀許多偉大發現。除了下文講到的核酶和RNA世界，還有對於衰老異常重要的端粒和端粒酶（2009年諾貝爾獎），以及蛋白質的翻譯後修飾等。（圖片來自www.nationalgeographics.com）
切赫一開始的目標是很明確的。他從一開始就已經知道，四膜蟲體內的RNA分子中段，有一截序列是沒有什麼用的。這段被成為「中間序列」的無用信息，在RNA剛剛被製造出來之後就很快會被從中間剪切掉。就像是RNA密碼本自動撕去了寫滿廢話的一張。而這個過程是怎麼發生的呢？切赫希望利用四膜蟲這個非常簡單的系統來好好研究研究。他的猜測也很自然：肯定有那麼一種未知的蛋白質，能夠準確的識別這段RNA中間序列的兩端，然後咔嚓一刀切斷RNA長鏈，再把兩頭縫合起來，RNA剪接就此完工。
為了找出這個未知的蛋白，切赫的實驗室使用了最經典的化學純化方法。他們先製備出尚未被切割的完整RNA分子，再加入從四膜蟲細胞提取出來的蛋白質混合物，RNA分子應該會被剪接。之後他們的計劃是，一步步把蛋白質混合物分離、提純、排除掉那些對RNA剪接沒有影響的蛋白質，最終留下的應該就是他們要找的那個負責剪接RNA的蛋白質了。
但是他的嘗試幾乎立刻就撞牆了。切赫發現，RNA分子加上四膜蟲蛋白「湯」，確實會被很順利的剪接。但是就在同一個實驗里，他們發現即便什麼蛋白質都不加，RNA分子也同樣出現了剪接！
任何一個受過起碼科學訓練的人都明白，這個現象有多令人沮喪。什麼都不加的RNA分子也能被剪接，看起來只有兩個可能性：第一，切赫他們製備的RNA已經被污染了，裡面混進去了能夠切割RNA的蛋白，因此不管再加不加東西RNA分子都被剪接了。第二，切赫他們看到的這個現象壓根就不是RNA剪接，而是一種不知道什麼的實驗錯誤，因此加不加其他蛋白質他們看到的都不是剪接。不管是哪種解釋，眼看著這個實驗就做不下去了。
於是切赫他們嘗試了各種各樣的辦法來改進實驗。他們首先假定自己的純化功夫確實不到位，RNA被污染了，因此想要從裡面找出那種被「污染」的蛋白是什麼，沒成功；他們也往純化出的RNA分子里加上各種各樣破壞蛋白質活性的物質，試圖停止RNA的剪接，發現也不成功；他們甚至還做了更精細的化學實驗來研究RNA到底是怎麼被剪接的、發生了什麼化學修飾……
終於到了1982年，他們拿到了「驚人」的決定性證據。他們乾脆放棄了對RNA分子各種徒勞的提純，直接在試管里合成了一條RNA。然後他們終於可以明白無誤的確認，這條幹凈的RNA在什麼外來蛋白質都沒有的條件下，仍然固執的實現了自我剪接，把那段沒用的中間序列給切割了出來！事情已經無可置疑，根本不存在那種看不見摸不著又總是頑固剪接RNA的蛋白質，RNA可以自己操起傢伙來剪斷和粘合自己！
說得更酷一點，原本大家都覺得多餘和浪費的RNA分子，居然可以身兼DNA和蛋白質的雙重功能：它顯然可以和DNA一樣儲存信息，它同時也可以像蛋白質一樣催化複雜的生物化學反應——在切赫的例子里就是剪接自身。切赫給他們找到的這種新物質命名為「核酶」（ribozyme，兼具核酸和酶的功能之意），僅僅七年之後，切赫就憑此發現獲得了諾貝爾化學獎。
核酶的最終證明。1982年，切赫和同事們發現，完全人工合成的RNA分子，也可以實現自我切割和連接，拋棄掉一段約400個鹼基長度的無用序列（上圖中標記為「IVS」的RNA條帶）。由此證明，RNA在沒有蛋白質的情況下也可以單獨催化生物化學反應。（圖片來自Kruger et al Cell 1982）
04
世界屬於RNA
核酶的概念立刻被用來理解生命起源：不是說DNA和蛋白質先有雞還是先有蛋無法解決么？核酶這種奇怪的東西，至少理論上可以既是雞又是蛋！只要想像一個這樣的RNA分子——它自身攜帶遺傳信息，同時又能催化自身的複製——那不就可以實現遺傳信息的自我複製和萬代永續了么？什麼DNA，什麼蛋白質，對於偉大的生命起源來說不過是事後錦上添花的點綴而已！
不得不承認，這個思路的腦洞還是開的很大的。要知道，切赫發現的核酶雖說確實實現了一點蛋白質的功能，但這個功能還是極其簡單的：給RNA做個砍頭接腳的外科手術而已。而如果真要設想一種核酶能夠實現自我複製的功能，它必須能夠以自身為模版，從頭到尾一個一個核苷酸精確組裝起來，這個難度比起RNA剪接，簡直是汽車流水線和榔頭剪刀的差別。更重要的是，嗜熱四膜蟲畢竟只是一種高度特化的小生物，憑什麼認為核酶這種東西真的有普遍意義，真的會代表了生命誕生的初始狀態？
但就在這個大膽的思路指引下，全世界展開了發現、改造和設計核酶的競賽。越來越多的核酶分子，越來越多存在核酶的物種都被發現了。到了2001年，美國麻省理工學院的科學家們成功「製造」出了一種叫做R18的、具有部分自我複製功能的核酶分子，第一次證明核酶確實不光能當榔頭剪刀，還真的可以裝配汽車！當然，R18的功能還遠不能和我們40億年前的那個共同祖先相比——R18僅僅能夠複製自身不到10%的序列，也就意味著R18這樣的「生命」一代之後就會衰退死亡，而我們的祖先可定需要100%複製自身的能力。但這畢竟是一個概念上的巨大突破。要知道，既然人類科學家都可以在短短几年內設計出一個具備初步複製能力的核酶，沒有理由懷疑無比浩瀚的地球原始海洋在幾億年的時間裡不能孕育出一個真正的祖先核酶。
人工設計核酶的進展驚人。R18能夠複製長度為自身7%的序列，而最新的tC9Y核酶可以複製超過合成長度的RNA序列，至少在理論上tC9Y就已經具備了自我複製的能力。圖片來自Lehman 2013 Nature Chemistry
就在這一系列激動人心的科學發現中，克里克1968年的假說重新被人們翻了出來，而到了1986年，另一位諾貝爾獎得主、哈佛大學的沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）更是正式豎起了「RNA世界」的大旗，要替RNA搶回地球生命的發明權了。這可能是最接近真相、也最能幫助我們理解生命起源的理論了。這個理論的核心就是，RNA作為一種既能夠存儲遺傳信息、又可以實現催化功能的生物大分子，是地球生物的共同祖先。可能在億萬年前的海洋里，不知道是由於高達數百度的深海水溫、還是刺破長空的閃電、還是海底火山噴發出的高濃度化學物質，數不清的RNA分子就這樣被沒有緣由地生產出來、飄散、分解。直到有一天，在這無數的RNA分子、也就是無窮無盡的鹼基序列組合中，有這樣一種組合（例如R18）恰好產生了能夠自我複製的催化能力。於是她蘇醒了，活動了，無數的「後代」被製造出來。
今天的生命世界（左）和RNA世界（右）。今天絕大多數的地球生命都在中心法則的支配下生存繁衍，DNA儲存遺傳信息並持續的自我複製，DNA通過RNA控制了蛋白質的合成和生物體的性狀。在這個模型中，RNA僅僅作為信息流動的中間載體出現，看起來多餘而浪費。但是在遠古地球、甚至是生命剛誕生的時候，情形可能會很不同。贊成RNA世界理論的科學家們認為，在那個時候也許既沒有DNA也沒有蛋白質，而是RNA分子身兼兩職，又能代替DNA儲存遺傳信息、又能代替蛋白質推動各種生物化學反應。（圖片來自rsc.org）
自我複製的RNA先祖，並不需要按照我們剛剛假設的生命1.0到5.0的固有軌跡發展變化。事實上，RNA先祖只需要結合最簡單的生命1.0版，也就是自我複製能力加上能量製造的能力，輝煌的生命大廈就可以拔地而起了。能量幫助地球生命擺脫熱力學的詛咒，在混亂無序的自然界中建立起精緻有序的生命結構；而RNA先祖則肩負起自我複製、為生命開枝散葉的重任。此後四十億年的漫漫進化，出現DNA和蛋白質、多細胞生物誕生、人類萌生、智慧出現，其實都只是那一次偉大結合的綿綿餘韻而已！
敬請期待下文，生命的秘密（四）：感覺：與客觀世界握手
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