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生命起源新證據:用簡單氣體創造RNA堿基



近日,PNAS上爆出了一則大新聞:Formation
of nucleobases in a Miller-Urey reducing atmosphere,傳送門Formation of nucleobases in a Miller-Urey reducing atmosphere,跑得最快的記者迅速寫文為大家第一時間解讀。

這篇文章報導的是米勒-尤列實驗(Miller-Urey
experiment,後簡稱「米勒實驗」)的變體,用NH3 + CO + H2O這三種還原性大氣成分,通過鐳射與電擊,製造出了RNA的堿基,提示原始地球條件足以將簡單的物質轉變為複雜的構成生物體的物質,為生命的起源提供了進一步的線索。

等一下,米勒實驗不是1953年就完成了嗎? 怎麼還算大新聞呢? 事實上,儘管該實驗得到了生物分子(尤其是氨基酸)形成的證據,但多年來一直飽受爭議,主要集中在兩點:1、無論怎麼重複當時的米勒實驗,科學家總是無法獲得攜帶遺傳資訊的關鍵物質,即DNA或RNA;2、米勒實驗使用的是CH4、NH3、H2O和H2四種氣體,雖然沒有人可以準確地給出地球的原始大氣成分,但有觀點認為, CH4和NH3在早期大氣的濃度或許並非實驗設定的那麼高。

第二個爭議點還算比較好消解的了,因為直到目前為止,沒有人能給出確切的原始大氣成分定量資料(雖然比較明確的是,它們應該以還原性氣體為主),所以都是停留在寫ppt或者發paper互撕的階段,還到不了推翻的地步。 甚至還有說,就算早期地球不存在,也可以是行星砸到地球上帶來的。 咱們不探討這些。

而第一個爭議點所提及的,是整個米勒實驗最大的缺陷。

1928年和1952年,分別由Frederick
Griffith,及Alfred Hershey與Martha Chase做的具有里程碑意義的實驗,即「肺炎雙球菌轉化實驗」與「Hershey-Chase實驗」,證明了DNA是一種遺傳物質。 1982年,Thomas R. Cech和Sidney Altman發現了核酶(ribozyme),證明了RNA既可以是一種遺傳物質,也可以是具有生物催化活性的酶,從而奠定了生命起源于RNA
world假說的基礎。

然而正如前文所述,米勒實驗無論如何重複,都無法合成出DNA和RNA,只能獲得氨基酸及其他物質。 可是,氨基酸不攜帶遺傳資訊,所以稱不上生命起源的基礎(當然要肯定的是,氨基酸是生命起源的重要因素)。 雖然此後陸續有科學家通過改良米勒實驗,比如以甲醯胺(formamide)為底物合成出了RNA,但使用這種比較「複雜」的原材料作為起始物質,也未免太作弊了。

這篇PNAS文章的亮點就在於,僅僅使用了NH3、CO和H2O三種物質,就得到了四種RNA堿基(即A、G、U、C)。 同時在他們的實驗中,也檢測到了甲醯胺的存在。 因此他們提出,RNA堿基的形成並不是一步到位的,而是如下所示,先是CO和NH3在高能條件下形成了甲醯胺,然後甲醯胺進一步崩解,最後才合成了嘌呤和嘧啶堿基。

這篇文章所採用的反應條件是鐳射驅動的高能等離子體與電擊。 有假說認為,原始地球曾經遭受過外來巨型星體的撞擊。 而這樣的撞擊,在地球上形成了高溫等離子體。 而電擊基本上是許多米勒實驗變體的通用條件(其他的還有紫外照射、質子或其他高能粒子轟擊),也是類比原始地球的情況。 但爭議也同樣會在這其中誕生,比如實驗中的電能是持續給予的,但原始地球的雷擊卻未必如此。 因此,這篇PNAS文章出來後,肯定還會有人跳出來說這裡不對那裡不好(比如僅拿到了堿基,並非完整的RNA分子),而在未來,也肯定會有人拿出更加優化的實驗方案,獲得更加激動人心的資料。 且讓我們拭目以待!

來源:知乎 www.zhihu.com

作者:吳思涵

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