换头螺丝刀(谁才是地球的行星一号生命？)

只有当能繁殖或者说能自我复制的分子出现，地球上的生命才算真正开始。那么谁是生命1号？这是进化史上的一大难题，但现在，科学家对此问题已有了答案。

40多亿年前，宇宙中悄无声息地发生了一件大事：围绕一颗中等大小恒星旋转的一颗新生行星开始冷却。这颗行星上环境恶劣，在被陨石狂轰滥炸之后，又遭受火山爆发，大气中充满了有毒气体。但与此同时，在它表面的海洋里，一件不同寻常的事情发生了——一个或者一批能自我复制的分子出现了。

能自我复制，这意味着生命可以代代相传，这是进化史上曙光初现的黎明时刻。一旦能自我复制的生命出现，自然选择就开始发挥作用，很快，最早的单细胞生物出现了……接下去发生的事情就是现在整部史前史所述说的。

但是这件大事直到40多亿年后才显出它的重要意义来：宇宙最终孕育出人这种智慧生命，他们足够聪明到会去思索：宇宙从哪里来？生命的本质是什么？他们最早的祖先是什么样子的？……等等这样一些深奥的问题。现在就让我们来谈论这些话题中的一个：最早的能自我复制的生命是什么？

看来谁都不合适

生命之所以能够代代相传，离不开遗传物质。遗传物质又有两种：双链的DNA和单链的RNA。在生物学家眼里，DNA远比RNA重要，因为生命复制的最终目的是合成蛋白，如果说DNA是这个过程的指挥者，那么RNA仅只是个协助者而已。那最早出现的能自我复制者会不会就是DNA呢？一听此话，科学家就忍不住摇起头来。DNA太复杂了，包含上百万个“零部件”，在现成的生命体内，需要动用很多蛋白质才能合成。可是在地球上最早出现生命的时刻，这些蛋白质“工具”显然并不存在，——因为这些“工具”本身依然需要在DNA指导下合成——所以，离开了它们怎能造出这么一个复杂的DNA？用科学家的话说：“大自然自己制造出一个DNA分子的概率，等同于把所有飞机零部件摊在地上，然后来一阵龙卷风让它们自动组装出一架飞机的概率。”

既然DNA不可能，有人又提出可能是RNA：其一，RNA比DNA简单；其二，在一些最原始的生命体，比如某些病毒上，没有DNA，却有RNA。但这些理由其实也相当脆弱，譬如说，RNA固然比DNA简单，但它也是分子量达上百万的大分子，在自然条件下合成RNA，其难度也几乎相当于让一阵龙卷风组装出1/2、1/3架飞机。

RNA占统治地位的世界

但到了1960年代，人们对RNA的看法开始改变，科学家发现，RNA链可以像组成蛋白质的氨基酸链一样折叠成不同的形状。为什么这一点显得特别重要呢？因为在有生命的机体中，几乎所有艰巨的工作，比如每秒数以亿计的化学反应，都是由蛋白质来完成的，其中起催化作用的是一类叫酶的蛋白；而蛋白质之所以几乎无所不能，主要源于组成它的链能够在空间扭曲、折叠成无穷多的形状，每一种形状对应着一种蛋白质。RNA链能折叠成不同的形状，这意味着或许它也可以完成某些本该由蛋白质完成的事情。

现代的RNA复制固然离不开各种蛋白质的催化，而蛋白质的合成又离不开RNA的参与，如果目光局限于这一点，我们难免又要落入类似“先有蛋还是先有鸡”这样的难题。但不妨设想：如果在生命之初，RNA一方面具有遗传物质的储存信息功能，一方面又有蛋白质酶的催化功能，“万物皆备于我”，那么它即使在没有蛋白质的帮助下，也可以实现自我复制。

这是个非常诱人的点子，但那个时候还仅仅是一个猜测，没有人证明RNA能够像蛋白质一样具有催化的功能。直到1982年，经过几十年的寻找，能起催化作用的RNA（底下称RNA酶）总算找到了一个。自那以后，仿佛闸门被打开了，人们在有生命的机体上发现了更多的RNA酶，在实验室里也人工合成了一些。

于是这样一个假说被正式提了出来：地球上最早的生命应该是一些能起自我催化作用的RNA分子。当然，这里的“自我催化”需要从广义上去理解，是针对不需要蛋白质的帮助这一点而言的。具体说，则因为RNA有多种折叠方式，意味着有多种RNA分子，“自我催化”可以是在甲RNA的催化下，乙RNA完成自我复制这种过程。

2000年，一个更新的发现让此前抱怀疑态度的许多生物学家转变了态度。这一年，人们搞清楚了细胞里“蛋白质加工厂”的内部结构，证明了在这些“工厂”里，制造蛋白的第一道工序是由一种RNA酶来完成的——如果蛋白质都是由RNA先制造出来的，那RNA毫无疑问出现在蛋白质之前了。

自我复制不是问题

不过这个假说还有一些问题有待解决。第一个问题是，虽然我们已经知道RNA可以催化，但还并不清楚是否能够自我复制。如前所说，生命进化到今天，DNA和RNA需要在很多蛋白质的帮助下才能复制自己。如果历史上曾经有过那样一些会自我复制的RNA，恐怕也早已无迹可寻了。生物学家必须在实验室制造出一个能够自我复制的RNA来，才能证明此言不虚。

这个过程是艰难的，但迄今已经取得不少进展。比如2001年，英国科学家合成一种RNA酶，能够连续拷贝自己的95个核苷，几乎是自身核苷总数的一半。所以，生物学家离制造出一个真正自我复制的RNA分子或许已经为期不远，我们应该对此有信心。

但紧跟着还需要解决另一个问题：RNA在自我复制时所需的能量是从哪来的？

现在细胞里遗传物质的活动，其能量都来自细胞的新陈代谢。而新陈代谢离不开大量蛋白酶的参与，可是一个挑刺儿的问题又来了：生命之初，没有这些蛋白酶，怎么实现新陈代谢？你说RNA酶也能催化吗，但它能催化的化学反应类型看起来非常有限，远远不能胜任一整套新陈代谢的工作。

这个问题在本世纪初也基本得到解决。人们发现了一些能行使特殊功能的分子团，它们可以结合RNA酶一块使用。这样做有什么好处呢？打个比方，如果RNA酶是一把可换头螺丝刀，那么这些分子团就相当于那些可换头。RNA酶这把刀虽然只能拧开一种型号的螺丝，但因为可换的头很多，与它们合起来使，就可以拧开几乎任何型号的螺丝了。

事实上，后来科学家在许多细菌上的确发现了与各种分子团联合起来使用的RNA酶。看来之前科学家低估了RNA自力更生的本领，它们能够胜任制造能量的那些化学反应。

这样，这个假说的证据变得越来越充足了。

最早如何合成？

但这个假说依然面临许多挑战。我们来看科学家是怎么来对付这些挑战的。

一个非常大而明显的问题：你说RNA能自我复制，但前提是已经存在那么一个RNA了；现在请问，最初的这个RNA又是从哪儿来的？

要回答这个问题，我们必须先来了解RNA分子的结构。组成RNA分子的基本单位是核苷，一个核苷是由一份糖、一份碱基和一份磷酸盐组成的。在活的细胞中，无数的蛋白质酶参与了制造核苷并把它们连接成RNA分子的工作，但显然在原始地球上并不具备这些酶，那儿只有粘土。

1996年，美国一位生物化学家证明，当把核苷置于一种火山灰和海水的混合物中，长达55个核苷的RNA分子就可以自动形成。这表明，如果在早期地球上存在大量核苷，那么RNA分子的形成就不是一个问题。

最困难的一步是如何合成核苷。虽然模拟早期地球环境的实验证明，组成核苷的所有“部件”也能够在自然环境中产生，但要是离开了特殊的蛋白质酶的帮助，要把它们组装起来几乎是不可能的。

这个看似无法克服的困难让许多生物学家纷纷猜测，RNA也许并不是最早的能自我复制的分子。在RNA统治世界之前，说不定还有别的“姓氏”的NA，它的分子跟RNA相类似，但组成它的“砖块”却比核苷更容易从自然界中产生。不过这些假说都无法回答一个问题：如果生命是通过这些方式产生的，但为什么现在没留下任何痕迹？因为现在的遗传物质是DNA和RNA，而不是其它“姓氏”的NA。

与此同时，美国生化学家约翰•萨塞兰德却在顽强地解决核苷形成的难题。他意识到过去大家或许都误入了歧途，他们看到在每个核苷上，都有一份糖，一份碱基和一份磷酸盐，于是想当然认为把三者粘到一块就万事大吉，但事实上却行不通。他另辟蹊径，在没有任何蛋白酶的帮助下，通过巧妙的办法把核苷合成了出来。

当然，整个事情还没有彻底解决。RNA有4种不同的核苷，而到目前为止，萨塞兰德仅仅制造出了2种。然而，他说离合成出其它2种也已经很接近。如果他成功了，这将证明在早期地球上，自发地产生能自我复制的RNA是完全可能的。RNA也就当之无愧是“生命1号”了。

“生命1号”在什么地方冒出？

这个假说其实还有许多问题留待解决。比如，最早的RNA是从地球的什么地方冒出来的？最早的生命看起来是什么样子？后来在生命的进化过程中，RNA把指挥复制的权力转让给了DNA，把催化的权力转让给了蛋白质，这一切是怎么发生的？对于这些问题，有的我们可能永远也不能确切地知道，有的则已经有了一些猜想。

比如，关于最早的RNA可能在哪儿出现这个问题，目前就有好几种猜测。

一种猜测是，只要有粘土和水的地方，就可以产生出RNA。有科学家实验证明，早期地球的火山灰粘土有利于产生像细胞一样有膜包围的液囊，如果组装RNA的“部件”全包围在这么一个小液囊中，不让它们零星分散，RNA产生的机会就可以大大增加。这样一个含有能自我复制的RNA分子的液囊，虽然没有现代细胞那么复杂，但能够自我分裂、复制，已经相当于一个原始的细胞了。

还有一种大家比较熟悉的猜测，认为生命始于海底热液。那里是制造长链RNA的理想摇篮。

最近又有人提出一个奇妙的点子，认为这一切最初或许发生在冰里。天文学家根据太阳的活动猜想，生命在地球上刚开始的时候，太阳要比今天暗30%。如果地球大气中不充满温室气体，那么那时整个星球将会冻成一个冰球。在这种情况下，根本不可能有纯液态水存在，只有高浓度的盐水在冰晶之间流动着（因为盐水的冰点比纯水低）。但寒冷不仅可以提高RNA的稳定性，对于某些RNA酶，在冰里甚至比在水中工作效率更高。

就目前来说，我们还无法在这些猜测之间做出选择，因为迄今还没有任何有关最早RNA的化石被发现。但我们可以期望在实验室重新制造出那个已逝的“RNA世界”，以此来证明它是怎么兴起的。不远的一天，有人也许可以在一个容器中装上一些原始的化学物质，置于合适的条件下，然后看着生命从中涌现出来。