生命起源(谢震泽整理140701)

1、生命起源 整个PPT围绕一个简单的问题：生命是如何出现在这个世界上的？事实上，组成生命的基本元素都十分普通，最多只值几美元 但非常奇妙的是，万亿计的这些普通原子组合在一起，形成了会呼吸、会思考的活生生的生命 你也许会觉得科学不能回答这个问题。但情况正在改变。我认为，当下的科学逐步超越了传统宗教和哲学。开始回答这些困扰人类的基本难题 1859年，达尔文发表的物种起源 为我们提供了很多关键性的思路和线索。如果不同物种有完全不同的起源，那么生命起源将变得异常复杂。但达尔文提示我们，生命可能来源于共同祖先，那么事情一下子变得简单的多。由于时代所限，达尔文当时已经无法给出更多答案。 那么我们能否直接找到

2、共同祖先呢？化石记录可以给出一些线索。其中，叠层石被认为是古老细胞产生的结构，至少距今34亿年前。但化石记录再往上就很难追溯了，有没有其他办法呢？ 答案是：有！由于时代所限，当时达尔文并不能给出全部答案。不过，一个世纪后关键性的证据被发现了，1953年沃森（Watson）和克里克（Crick）阐明了DNA的结构。现在我们已经知道，地球上所有已知的生命都具有相同的一套遗传系统：DNA-RNA-蛋白质（不同物种在细节上演化出些许差异）。也就是说，地球上已知的全体生命可能只有一个共同祖先！ 虽然不能直接找到共同祖先，但能不能根据现有生命，反推出祖先形态呢？这个思路中，一个很重要的代表便是探索“最小细

3、胞”。也就是根据现代细胞的特征，化简出一个最小的细胞。 “最小细胞”聚焦于对于细胞结构的化简，探讨维持细胞生命的最低条件，尤其是考虑生命必须的“最小基因组”这个问题，从而勾勒出早期的生命形态。 根据不同人对细胞化简的研究，估计出一个最小的活细胞所需的最小基因组需要151个基因以及113 kbp长的基因组 。即使这样一个瘸腿的生命形式，也需要至少150个基因。有趣的是，这和现在已知的最低限度的生命形式，即木虱原生共生菌一致，它有182个基因 。如果低于150个基因，可能无法构建一个最小的细胞。 但是，如果我们一上来就需要150个基因才能踏上生命之路，这个门槛似乎过高了。在自然条件下，通过各种机缘

4、巧合，偶然形成这么个分子的几率似乎太小了。这就好比一场龙卷风卷过一个垃圾场，用里面的碎片，组装出一家波音747。那么生命的诞生真的只是一场伟大的意外吗？ 不，我们还有其他办法。从上而下的化简似乎存在问题。那么从下而上的推理是不是可行呢？我们能不能从分子层面推导出生命的早期形态呢？ 非常著名的米勒实验告诉我们。一些简单的化合物，在完全自然的条件下，就能形成组成生命的氨基酸等化合物。这说明，早期生命完全可以在自然条件下产生 早期对太空的探索发现，月球 、火星 、金星 等这些星球，似乎都不含有有机物。这对我们的太空认识产生了一个错觉，即有机物是地球的一个特有现象。但现在的观测发现，实际上太空充斥着有

5、机物！实际上行星诞生之初，可能就是个有机物的“天堂” 这是对星际尘埃的观测，显示出大量的有机物 彗星和星际尘埃有着类似的起源，对彗星的实际观测，同样显示出大量的有机物存在。彗星其实代表了太阳系形成初期的状态。也就是地球刚刚产生生命那会儿的状态 对彗星的采样分析同样证实了这点，有机物大量存在 在实验室模拟空间状态，也得到大量的包括氨基酸在内的有机物生成 。这提示除了经典的米勒实验，其实有机物在星际间非常普遍。 太空化学对于生命起源可以远比想象的重要，早期掉落的地外物质的量是今天的100万倍 。在太阳系增长的最早的10亿年内，估计掉落地球的碳总量大概在10的16次方到10的18次方Kg之间，这比现

6、在生物圈的碳循环总量还高几个数量级 。因此星际间有机分子大量掉落到地球，并供前生物演化利用，是可行的。 太空化学非常重要。它告诉我们，组成生命的有机分子，实际上在太空大量存在。根本不是什么稀罕物。随着行星的形成，它们将大量掉落到行星上，这些有机物便构成了生命起源的第一桶金。 那么宇宙中这么多有机物掉到地球上，于是生命就诞生了，是这样吗？不是。热力学第二定律告诉我们，即便我们拥有大量的有机物，它们也“不会”自发的变得更复杂，也不会自发的把自己组装成复杂结构。相反，它们总是趋向于分解，趋向于无序和平衡。 例如现在的火星。他曾经是个宜居星球。但现在整个火星已经达到热力学平衡状态了。 那么地球生命是如

7、何逃避热力学第二定律逆流而上的呢？Nobel化学奖（1977）得主普利高津为我们部分的解答了这个问题。耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。 普利高津对耗散结构的描述，让我们不得不回想起生命的基本特征：与外界的物质、能量交换，远离平衡态，不同元素之间的相互作用等等这为生命起源指明了方向。而地球上的海底黑烟囱，又恰恰是这样一个不断提供能量和物质的热源。这为生命起

8、源铺平了热力学道路。 油脂一类的分子，分散到水中时，会自发形囊泡 。脂分子自我装配形成双层半透膜，封闭形成一个内部水环境，在环境和囊泡内提供了一个疏水屏障。这对于生命起源非常重要。因为细胞结构就是这么个东西。细胞膜恰恰就是脂质组成。 由于囊泡可以基于简单的物理化学原因即表面积与体积之间的不平衡而自发分裂 ，而无需各种高级的酶和分子调控，这种“自我增殖”特性，构成了最原始的“生命特征”。最新的研究表明，缺乏细胞壁的L型细菌依然可以基于这种方式分裂 由于囊泡的选择透过性，早期囊泡内积累了一定的小分子。这些小分子可能构成化学反应循环，而持续的利用能量。其中一些囊泡可能更加稳定或者能产生一些脂质分子从

9、而构建其自身，因此在演化中胜出 在RNA时代之前，原始囊泡是通过“非基因遗传”来保存信息。但仅仅基于囊泡分裂时，对内容物的分配，若干代以后，原本的内容物将越来越稀释，这似乎将导致囊泡复杂性的衰退。我猜想，囊泡之间的相互融合，可以产生一种接近于“有性生殖”的效果，来阻止复杂性衰退，并可以加速进化 这个时期的囊泡可能已经具有一些简单的代谢，从而利用环境中的能量来避免热力学上的衰退。我们可以称之为早期细胞。那么他最早进化出来的内部分子是什么？DNA？RNA？蛋白质？这变成了一个先有鸡还是先有蛋的问题。因为现代细胞中，这些分子是相互依存的关系 不过凡事都有例外。现代红血球，就是红细胞。没有DNA。但依

10、然能存活。这提示我们，对于生命来说，能量代谢才是第一位的。 (如果红细胞能像囊泡那样分裂，那么我猜它可以构成一种无DNA生命 下面我们将思路聚焦在能量代谢上。早期细胞和现代细胞在能量代谢上可能存在很大差异，但其中应当具有连贯性。也就是说早期细胞的演化过程中，各个阶段都应得到不受中断的能量供应。例如，现在人类社会主要利用电力驱动，若急切的全部改为汽油驱动，那么大多数电器都会停止工作而报废，因此早期细胞在演化过程中对能量的利用也应当保持某种连续性。 其中从多聚磷酸盐（ployP）到硫酯（R-S-CoA）再到ATP，可能是一个从简单到复杂的连续的能量策略，其中的并行性能保证细胞对能量利用的一贯性。其

11、中多聚磷酸盐和ATP一样都能为生物合成和代谢供能，并且磷酸盐对于ATP的起源产生了至关重要的影响 在ATP时代到来之前，可能还存在一个硫酯时代。乙酰CoA和ATP中的高能键的能量是类似的。对硫酯和ATP的平行利用是令人困惑的冗余现象，而这一点在多肽形成中尤为突出。在肽抗生素的合成中 ，硫酯参与通过非核糖体肽合成酶（NRPS，是一种RNA组成的核酶，较原始）进行肽键形成过程，而不参与核糖体的蛋白质合成（现代生物都利用核糖体来合成蛋白质）。最新的一些研究显示出磷酸盐在早期ATP的合成途径中扮演了重要作用，ATP可以通过一系列代谢途径在早期细胞内产生 。早期ATP以及NTP可能属于代谢的副产物，后来

12、变成能量货币。其起源于组成RNA可能无关。可能早期的代谢途径只是产生ATP，因此造就ATP成为了细胞的通用能量货币。而其他3种可能出现较晚。另外，对于磷酸的大量运用，可能驱动了产生磷脂的代谢途径。实验表明，极低含量的磷脂即可导致竞争上的优势 。这最终导致磷脂取代脂肪酸成为细胞膜的主要成分 NTP能在膜内自发多聚形成短链RNA。由于多数短链RNA并没有实际功能，因此这在早期属于副产物，并没有太多现实意义。但一旦产生了具有功能的RNA分子，就完全不一样了。要知道，现代生物中，RNA功能非常强大 随机产生的那些RNA中，有一部分能作为核酶催化一些化学反应。具有催化功能的RNA，与底物结合能大大减少其

13、被降解的可能性 。因此，那些没功能的RNA被淘汰，有催化功能的被保留。这个时期筛选和淘汰了大量无功能的RNA，而演化出不少有功能的RNA片段，作为早期催化剂保留。 当第一个能催化RNA复制的RNA（核酶）诞生的时候，第一个复制子就产生了，其可催化自身复制。 核酶催化大量RNA复制，最终导致一个RNA世界的产生。这个世界中，RNA即作为遗传物质，又作为酶行使功能。这个时代RNA不断演化，产生了各种精细结构，来催化各种反应。 这个时代是RNA的时代，RNA既充当DNA的角色，也就是遗传物质，又充当蛋白质的角色，也就是催化剂。现有证据都指向这么个时代。 但很快，RNA又不够用了。由于RNA只有四种侧

14、链，能催化的反应有限。RNA世界后期发展出对RNA的修饰作用来增加RNA功能。 其中RNA的多肽化修饰值得特别关注，其可能与tRNA的起源高度相关。现代细胞中，对RNA的修饰多达95种。氨基酸的好处自不必说，即便是短多肽链，如14个氨基酸长度，也可具有催化活性，而在随机多肽序列中有活力的比在随机RNA序列中找到的多10次方6倍。 因此RNA上多肽侧链的催化功能很快便毫无疑问的证明了自己。后来，RNA组装成了早期的核糖体，蛋白质合成的雏形就显现了。 遗传密码并不是一开始就拥有20种氨基酸，事实上，密码子的发展可能也经历了多个阶段。 后来逐步演化出后10种氨基酸。 不过好景不长。很快。早期地球丰富

15、的有机物就逐渐被不断繁殖的早期生命吃的越来越稀释。 那么海底热液口可以产生大量有机分子，因此成为早期生命的理想食物来源。它们为了食物，不断向高温发起挑战。但高温又会摧毁它们 早期RNA生物耐受高温的 能力很低，但DNA的耐受力却极强。 也许正是对海底热液口的争夺中。DNA生物胜出，DNA取代RNA成为了遗传物质。 这样，花了大概10亿年，早期囊泡进化到了现代生命祖先。拥有完整的DNA、RNA和蛋白质系统。 这个最早的生命，我们称之为LUCA，最后一个共同祖先。最终具有DNA-RNA-蛋白质的LUCA从极端环境中回到了中温环境，淘汰了那里的其他原始生命。顺理成章的成为了现代已知所有地球生命的共同祖先。 根据分子进化树推测出的最接近LUCA的现代生物是甲烷嗜热菌（Mka），一种生活在极端环境中的古细菌，拥有很多原始特性 分析表明，LUCA比之前通过化简得到“最小细胞”要更为复杂 ，这说明生物进化并非一帆风顺走捷径，更实际的情况