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生命能否由RNA主导?

如果我们发现在宇宙中其他地方有生命,并且它们的基本单元是RNA的话,我们不应该感到惊讶。

我们都知道,DNA是生命的基础,今天的生命世界是以DNA为核心的世界。可是现代研究表明,地球上早期的生命分子是RNA先出现,之后才是DNA。

而且这些早期的RNA分子同时拥有如同DNA的遗传讯息储存功能、如蛋白质般的催化能力,一起支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。

可是为什么DNA后来居上,成为生命的控制者呢?

RNA的重要作用

我们先来了解一下RNA在生命过程中的作用。

地球上目前所有已知的生命,都是以同样的方式管理基因信息,这个方式被称为中心法则。即DNA作为生物体重要的遗传因子,它可以通过复制传给下一代。

但是生物体需要的不仅仅是遗传物质,还有负责众多重要功能的蛋白质,比如人体参与消化食物的胃液中的胃蛋酶、胰脏中的胰蛋白酶等催化剂,如果没有这些催化剂,食物就会在你的胃中堆积,你可怜的胃就会被胀裂。

因为DNA本身不是一种优秀的催化剂,不能直接催化重要代谢系统中的化学反应,但是蛋白质却可以,所以DNA试图转译出蛋白质。但DNA并不能直接参与转译,而是需要先被转录成RNA,然后作为信使的RNA按照DNA的指令翻译出蛋白质。显然,翻译出的蛋白质有相当不错的催化功能,所以现在生命体中大多数的代谢功能都是由它来催化。

值得注意的一点是,RNA除了辅助转译蛋白质,还有助于蛋白质催化身体的代谢反应,例如,人体中的烟酸和核黄素这些有催化作用的蛋白质酶,在发挥功能之前,必须先要依附于一段RNA才行。

可以看出,RNA在生命过程中也扮演着非常重要的角色,既能转译蛋白质,也能帮助身体代谢,除此之外,我们知道它也是一种遗传物质。

RNA的转变

RNA有如此之多的功能,而且本身还是遗传物质,那它为什么不直接发挥DNA的作用,反而让后来者DNA渐渐成为生命的主宰呢?

事情是这样的。因为RNA也有一些比较致命的缺点,比如在水中很容易分离(这对基因分子来说是不利的);其次,RNA的结构较为简单,以至于很难成为一种有效的催化剂。所以,RNA如果想要统治这个生命世界,就要克服这些缺点。于是,RNA发明了一种更稳定的遗传分子——DNA,协助遗传物质的继承;紧接着,RNA继续发展并发明了蛋白质,蛋白质有更大规模的基本单元和复杂的结构,是一类更好的催化剂。

这就是说,DNA和蛋白质都是RNA发展出来的帮手,到了后来,DNA和蛋白质逐渐挑起大梁,各自发展成为专职的遗传物质和催化物质,而RNA也由领导者转变为专业信使,由此逐渐构成了我们现在所熟悉的生命世界。

如果RNA代替蛋白质

如果真像某些科学家所说的那样,原先的世界是RNA世界,那么我们可以在RNA世界的基础上,再来假设一下:如果早期生命没有发明蛋白质,而是一直在行使蛋白质的催化功能,那么今天的生命会怎样?

与蛋白质相比,现在的RNA是一种很差的催化剂,因为它是仅由4种核苷酸构建而成的。然而,过去20年的研究表明,早期的RNA完全可以拥有更多的核苷酸。如果 RNA 是由12个不同种类的核苷酸构建而成,那么它也会成为一个很好的催化剂,能更好地参与生命的新陈代谢。

当然,对于人类来说,RNA似乎仍旧不能替代蛋白质,因为蛋白质还有很多功能,像人体的很多肌肉,都是由蛋白质组成。不过,有科学家认为,由RNA统领的世界也许就在宇宙中的某颗行星上。

外星生命会不会由RNA主导?

如果原始外星生命的起源也像地球上一样从RNA开始,那么此后的发展存在以下两种可能:(1)RNA世界可能会产生核糖体来催化蛋白质的合成;(2)RNA世界可能会扩大遗传密码,而生命的新陈代谢是由扩大之后的RNA来完成,而不是蛋白质。如果(2)比(1)更可能出现,那么大多数的外星生命将没有蛋白质,因此,以蛋白质为基础的地球生命将是一个例外。

这应该是一个合理的假设,毕竟通过发明核糖体、核糖体制造蛋白质这个过程是由信使RNA的翻译完成的,而这可不是一个轻而易举的事情。另一方面,RNA扩充自己的基本单元,并成为一个更好的催化剂,这个过程反而会更为容易。

那么我们不禁好奇,没有蛋白质的生命会是什么样子?没有人知道,但这里可以做一些合理的猜测。例如,在RNA世界中的生命,应该很容易就会有细胞。

早前的研究表明,RNA世界能制造出脂质,而脂质是细胞膜的关键组成。

因此,如果外星生命与地球生命在分子水平上有着完全不同的生理构造,那么它们在外观上与地球上的生命大不相同。如果未来有一天真能找到外星生命分子,那时,我们就能真正知道有没有与地球生命迥异的外星生命结构了。


(本文源自大科技*科学之谜2016年第3期文章)

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