英国科学家提出：生命或起源于“冰冻的世界”

（中国化石网）据中国科学报（赵广立）：生命的起源是生物学和化学领域最大的谜团之一。一种可能的答案是，生命起源于单一的、能自我复制的分子：从很简单的化学反应而产生，但也能进行自我复制、变异、进化。达尔文推测，这种过程孕育于“温暖的小池塘”，而英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的科学家最近则提出，它也许始于“冰冻的世界”。

1871年，达尔文推测称生命可能开始于“温暖的小池塘”（warm little pond），此后引发了人们对生命起源的无尽猜想。直至今天，35亿年前生命何时、何处、如何起源，仍是现代自然科学尚未完全解决的重大问题，也是科学家们关注和争论的焦点。

其中，“化学起源说”是广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说考虑到早期地球的高温、还原性环境，认为生命从嗜热微生物进化而来。即早期生命存在于矿物质丰富的水域环境，比如温度较高的热液喷涌。

然而，英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的菲利普·霍里格尔（Philip Holliger）和詹姆斯·阿特沃特（James Attwater）提出了截然相反的理论：最初的生命可能起源于一个类似于冰河世纪的寒冷世界。他们在最近一项针对RNA的研究中发现，RNA一个关键的催化因子在零度以下的寒冷环境中利于表达和复制。

这要从“RNA World”说起。

RNA世界学说

RNA世界学说认为，地球上早期的生命分子先以RNA出现，之后才是DNA。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，以及如蛋白质般的催化能力，支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。

“RNA世界”一词最早由诺贝尔奖得主沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）于1986年提出。他依据RNA具有各种不同型态的催化性质，大胆提出独立的RNA生命形态概念。

中国科学技术大学生命科学学院教授单革在接受《中国科学报》记者采访时指出，绝大部分生命学家认可RNA世界学说。

“RNA的功能远非我们今天所知的这些，可能有更多功能有待人们研究。”单革告诉《中国科学报》记者，上世纪80年代，人们发现了有些RNA分子自身可以作为酶，这打破了人们认为只有蛋白质可以作为功能分子的传统共识。“RNA World假说一下子就被人接受了。”

相比DNA，RNA无疑是最初生命体更好的候选者。人们对RNA的认识始于上世纪60年代，即发现DNA双螺旋结构之后，人们继而发现了tRNA、mRNA等。那时，人们认为RNA只是扮演了一个信使的角色。“近些年的研究让人们开始对RNA刮目相看。”单革说，“因为RNA无论是信息携带还是催化化学反应，其灵活性使得很多人相信，在现在的DNA世界之前曾存在一个RNA世界。”

菲利普·霍里格尔和詹姆斯·阿特沃特在接受《中国科学报》记者邮件采访中指出，现代分子生物学基于RNA序列的研究能提供通往古生物学的途径。受此启发，他们已经制备了一个人工RNA分子，它可以复制比本身还长的RNA序列。

“这表明，一些RNA分子可以进行自我复制。”菲利普回复道，这突破了之前人们认为的RNA分子难以复制与自身长度相同的RNA段的难题。

单革告诉记者，以前没有发现一个RNA分子可以催化自身的复制。“也发现过能够自我复制的RNA，但无法完整复制。比如，它本身的长度是100个序列，自我复制20～30个就进行不下去了。”

而菲利普和詹姆斯实验室中制备的RNA分子之所以能够完成这一“不可能完成的任务”，秘诀就在于他们给RNA分子复制提供了“冰的环境”。

冰块里的逆袭

菲利普告诉《中国科学报》记者，他们发现，冰冻的解决方案——分子集中在冰盐水矿脉（即所谓的共晶相——即使在冻结温度下仍然保持液态），可以帮助浓缩、构建模块并支持RNA的活性。“接下来我们就利用冰环境来发展我们的RNA复制的活性。”

“关键在于，他们在试管里找到了一个平衡点。”对此，单革解读说，“在有冰晶的零度或低于零度的温度下，可以使RNA比较稳定（RNA本身在通常环境下是不稳定的），同时它可以实现近似于全长的复制。”

单革也提出了自己的质疑：试管在有冰晶的条件下看起来是比较好的，但这能否说明，原始地球的生命起源阶段，或者RNA世界中，地球环境就类似于该试管中的环境？

实际上，人们并非对原始地球一无所知。迄今为止，人们通过研究古老的化石、岩石等，分析推测出数亿年前地球的大气、水圈等环境中充斥着甲烷，没有氧气，比较具有“还原性”。

“但是具体到早期RNA反应、复制、进化等的微环境究竟是什么样，还无法考证。”单革说。

理论上讲，研究生命起源最好的证据，是地球上40亿年前～38亿年前的岩石和化石中所包含的信息。然而，经过数十亿年的变化，地球已经面目全非，现在的地球即使拥有40亿年前～38亿年前的岩石，也可能已经过了大量的变种，信息几乎全无。

可以想象，如果另有其他条件也能使得RNA得到完整的复制以及表达，学界可能对RNA世界的环境提出全新的结论。

面对质疑，菲利普和詹姆斯表示坦然，他们告诉《中国科学报》记者，（生命可能起源于寒冷环境）是一个违反人们直觉的观点，因为人们通常不会把冰冻和生命联系在一起。“但事实是，即使在今天，冰块中也充满着微小的生命。”

他们认为，生命的起源是生物学和化学领域最大的谜团之一。一个可能的答案是，生命起源于单一的、能自我复制的分子：从很简单的化学反应而产生，但也能进行自我复制、变异、进化。

“达尔文的‘温暖的小池塘’是故事的一个重要组成部分，看起来，在那样的环境中确实产生了一些生命的化学基础。”菲利普和詹姆斯指出，“但随后构成生命的分子会受到阻碍，因为高温也会降解分子。”

他们进一步指出，如果这些生命的基础在低温累积，它们也可能会集中和稳定到足以产生所需要的复杂分子。

三个RNA世界

值得探究的是，菲利普和他的研究小组是使用他们的“人造细胞”通过合成进化培育RNA和DNA的。其他所谓的异种核酸（或称作XNAs），在自然界并不存在。他们总结称，活体信息能够通过DNA和RNA之外的化学物质传递。

实验室研究小组发现了至少6种非自然的核酸能够分享信息。这些XNA之一便是己糖醇核酸（或称HNA），它能够进化并折叠成生物有用的形式。另外，名为苏糖核酸（TNA）的分子能够结合RNA从之前的RNA世界复制信息至新的RNA世界。因此，XNAs可能充当了生命的化学脚踏石的角色。

有报道指出，如果这一假设被证明，将对科学家探索地球生命和外星生命提供新的思路——外星生命或许拥有与地球生命完全不同的遗传物质载体，其生命形式也可能会截然不同。

然而，生命的形成还需要另外一个重要的步骤——生物膜。“细胞是生命最小的单位，生命的起源一定意义上是细胞的起源。”单革指出，遗传物质、信息传递、载体等共同作用，最后再由一个膜包裹起来，最终形成细胞，才能称之为生命。

“分子在地球环境中进化了数亿年才形成最原始的生命状态，目前实验室中还无法模拟。”单革表示，能模仿关键步骤还不足以说明生命的起源。

不过，可以肯定的是，RNA世界理论将由此得到扩充。1989年诺贝尔化学奖获得者托马斯·切赫（Tomas Cech）曾将RNA世界理论发展为“三个RNA世界”，概括了日益完善的RNA研究。

托马斯将早期地球生命起源之时的RNA世界作为第一个RNA世界。此后该RNA世界进化到以DNA为遗传物质、RNA为信息传递、蛋白质为功能表达的细胞世界，细胞世界中包含着第二个RNA世界，也即现在的RNA世界。在当前的RNA世界中，RNA既保留了原有的功能，又发展了新的功能——人们正在努力发现和验证。第三个RNA世界，托马斯称之为“为人所用的RNA世界”。他认为，RNA可以作为疾病的诊断、治疗等的特殊物质，届时各种各样的RNA将大放异彩。

“人们对RNA的研究有近30年的空窗期，如今突然意识到它的重要性，再去研究肯定有许多新的结论。”单革说，“我们现在的研究，必将丰富RNA的内容。”