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第8章 核酸与蛋白质在生命形成过程中谁为先

早在古希腊时代,就有人提出一个纠缠不清的问题:先有鸡还是先有蛋?

无独有偶。在生命的化学起源上,也有这样一个“鸡”与“蛋”的问题。20世纪50年代,英国科学家贝尔纳到前苏联参加一个学术会议时,提出了一个发人深省的问题:核酸与蛋白质在生命形成的过程中哪个首先出现呢?

真是一石投下,波澜顿起,人们对此争论不休,然而要寻求答案,谈何容易!众所周知,在细胞中,蛋白质和核酸是基础物质,它们“相依为命”。蛋白质合成需要核酸来编码;核酸的合成、复制都要有蛋白质(酶)来催化。两者缺一不可。

核酸与蛋白质到底何者先出现?对这个问题的答案,目前有三种假说,第一是先有蛋白质,第二是先有核酸,第三是两者同时出现。

第一种假说认为先有蛋白质。因为,约在40亿年前,由于当时大气中没有臭氧层,太阳辐射毫无阻拦地直闯地球,使原始大气中的水蒸气、氢、氨等小分子物质利用太阳能,聚合成了最简单又是生命不可缺少的物质氨基酸。这种设想已在实验室中得到验证。1953年,美国芝加哥大学的化学家斯坦利·米勒做了一个实验,他模仿地球原始大气,把甲烷、氢、氧、二氧化碳与水蒸汽等按一定比例放在一起,然后进行加热、火花放电与热辐射等处理,一个星期以后,这个混合气体中出现了生命物质氨基酸。氨基酸在没有核酸的情况下怎样进一步合成蛋白质呢?美国航天实验中心的劳斯特认为,富含矿物质镍的粘土起着催化剂的作用,它像“磁石”一样能使氨基酸彼此聚合,形成类蛋白质,并用实验原始大气层(甲烷、氢、氧、水、氨等)初步地证明了他的论点。

近几年还发现了一种叫朊病素养的微小生物,它只有蛋白质而没有核酸。由于对这种生物了解甚少所以还很难说它的发现能够支持“先有蛋白质”的假说。

第二种假说认为先有核酸。通常,核酸的合成、复制等都要有酶起催化作用。如果核酸先出现,靠什么做催化剂呢?这个假说认为原始地球上有一些物质能代替酶的催化活性,甚至有可能是核酸本身能代替酶起催化作用。有人认为,核酸合成过程中,锌、钙、镁、咪唑、尿素等物质可以代替酶起一定催化作用。在这些物质的催化下,原始地球上原来就存在的磷酸盐和后来聚合成的碱基、糖体就慢慢合成了核酸。有些实验也证明了这一过程,如美国的奥勒格教授在富锌粘土上成功地合成了8个单位原始地球上的磷酸盐、碱基、糖体等核糖核酸链,有人用咪唑催化产生了6个核苷酸相连的片段。在核酸复制时,铅、锌等金属离子可以代替有关的酶,美国科学家奥吉尔在铅、锌离子存在的情况下,使核糖核酸复制成功。

也有人认为,核酸本身能代替酶起催化作用,美国的西卡等人在近几年发现核糖核酸本身也具有酶的催化活性,能催化自我拼接反应。美国另一位化学家在含有四种核苷酸的混合溶液中放入一段核酸,四种核苷酸就在核酸上排列并联结起来,最后得到一小段双螺旋核酸,上述例子说明,没有酶的催化,核酸也能合成和进行自我复制。

先有核酸假说同样存在难以解释之处,原始地球上金属离子、咪唑和核酸等物质催化效率很低。在那种情况下怎样有效地合成、复制核酸?合成的核酸链很短,怎样形成具有遗传信息的大分子?

第三种假说是同时起源。这个假说认为地球形成初期,大气里已存在的某些分子聚合成了氨基酸;与此同时,一些物质聚合形成了五种碱基。有了氨基酸便可以合成“类蛋白物质”,有了碱基就可以合成“类核酸物质”,这二者相互共存,每一方存在都是另一方产生和存在的前提条件,它们相互作用的结果,终于形成了具有生命力的细胞。

同时起源假说也难以自圆其说,目前还没有发现具有催化核酸活性的“类蛋白质”,那么它们同时出现相互帮助、相互作用的关系怎样成立?

总之,这三种假说,各持其理,莫衷一是,究竟谁是谁非,难以定论。因此,生命起源的“蛋鸡”先后说还是一个谜。