在现代科学中,亿万年前创造生命的“分子舞蹈”仍然是最深奥的谜题之一。虽然并没有精确的时间线,但是科学家们已经确认了其中几个关键的步骤。最近,德国的化学家有可信的报告说,在早期的地球上,基本的化学物质可以形成“嘌呤”这个化合物,DNA、RNA和所有的细胞能量代谢都要用到它。
这一新的研究是“完美地解释了其中的化学原理,”在加州的斯克里普斯研究所的化学家Gerald Joyce说,他主要研究生命产生的化学原理。
Joyce和其他人一直认为,在这一过程中,一项早期的关键事件是RNA的形成——它是长链状的分子,鞥传递遗传信息,也能加快其它化学反应的速率。RNA的这些特点都是生命诞生的必要条件。但是,RNA是怎么形成的——并产生了这么多的RNA——还是一个谜。
RNA含有四种不同的化学构建块:腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。七年前,由英国化学家John Sutherland领导的研究发现了可信的证据,在早期的地球上,合成胞嘧啶和尿嘧啶的化学反应。但是,这些化学反应不能产生腺嘌呤或鸟嘌呤——RNA的另外两个组成部分。其他科学家继续了研究嘌呤最初产生的原理。1972,英国化学家Leslie Orgel和同事发现了一个在地球早期可能的形成嘌呤的方法。但是那项研究结果看起来并没有什么说服力,德国慕尼黑大学的化学家Thomas Carell说,因为Leslie Orgel发现的方法只能产生一点点的嘌呤。
Carell说:“40年来,人们都在寻找地球初期嘌呤形成的方法。”
几年前,Carell和同事偶然发现了一条线索,当时他们正在研究DNA损伤的原理。DNA和RNA非常相似,在DNA中,胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。他们正在研究叫做“formamidopyrimidine(FaPy)”的分子和DNA的反应,发现它也容易发生化学反应而形成嘌呤。所以他们决定看看在地球的早期能否形成FaPy这个分子,从而间接形成嘌呤。
第一步很容易的。它只需要氢,氰化物和水。氰化氢是一个简单的分子,只包含三个原子——氢、氮和碳。人们广泛认为,在地球的早期,它大量存在。它容易和水发生反应——在早期地球上也很普遍——形成含有氨基的嘧啶,在这些嘧啶中包含一些称为“氨”的基团。通常情况下,这些氨基会和其它很多物质反应,形成很多化合物。Carell说道,这并不是一件好事,因为这些产物中大多没有嘌呤。
Carell需要找到一种方法,把所有其它氨基的化学反应都停止,只留下会产生嘌呤的氨基。“起初我以为这不会成功,”Carell说。但他说,这一问题的解决方案比他预期的要简单得多。当Carell的团队只给溶液中加了一点酸——在早期地球,酸也是大量存在的,化学反应就会使来自酸的氢离子和含氨嘌呤结合。那额外的氢离子停止氨基的所有其它化学反应,只留下氨基可以反应。幸运的是,留下的唯一一个氨基就能产生嘌呤。
这还没有结束。发表在《科学》上的进一步实验结果显示,含氨嘌呤上的氨基会和甲酸或甲酰胺结合。去年,罗塞塔空间探测器检测到,在彗星上会有这些物质。因此科学家们认为,甲酸和甲酰胺也可能会通过彗星,来到早期的地球。一旦含氨嘌呤上的氨基和甲酸或甲酰胺结合,它们就会和糖反应,产生大量嘌呤。“这就像一个多米诺骨牌。”Carell说。
这就是一项振奋人心的大新闻了?并不是的,应用分子进化基金会的化学家、研究生们起源的专家Steven Benner说。Benner承认,新发现的嘌呤形成方法在这个领域中是“重大一步”,但即使这是正确的,他说,产生嘌呤需要的化学条件和Sutherland的研究组发现的产生嘧啶的化学条件不符。所以人们还不清楚,在不同条件下形成的嘌呤和嘧啶是如何一起组合成RNA的。即使这四个RNA碱基是在同一地点同一时间形成的,科学家也还是不知道,是什么将它们连在一起成了整条的RNA链。
生命诞生了,所以在过去这“奇迹”肯定是发生了。但是这一领域的研究者们还是要寻找更多的线索,才能完全解开这个谜题。( 译言网译者: FreemanZ 原作者:Robert F. Service)