从「生物化学」看生命的起源和进化，先有RNA还是蛋白质？

关于地球的年龄，人类已经在65年前得到了证实，我们的地球至少已经存在了45亿年。然而生命的起源通过现存的化石证据被证明在地球诞生的10亿年后，对于这两个问题所提出的时间点科学界已经相当的肯定，这一点现在没有多少人质疑。但关于生命仍存在一个难以回答的问题。地球的生命如何开始的，我们今天就聊聊这个话题！

地球上的生命究竟是如何开始的？

达尔文

查尔斯·达尔文(Charles Darwin)曾暗示，生命可能起源于一个“温暖的小池塘”，由构成生命的绝大多数的必要元素组成。然而，达尔文更多地关注的是生命进化的过程（《进化论》在很多方面定义了今天的现代生物学）而不是生命的起源。

关于生命的起源问题，人们提出了几种假说。一切都指向第一个细胞的诞生，更具体地说，是第一个生命所必需的生物分子的诞生。宗教和哲学对于生命的起源有着相似的立场，他们都认为生命的起源是超自然事件的结果，而这些超自然事件是科学无法解释的，我们只是被宗教要求相信“有一个人在那里说着神奇的话，策划超自然的事件，然后一切就繁荣起来了，我们也拥有地球”。哲学告诉我们生命的起源是我们无法理解的。但是追求真理胜过于虚构的谎言，我们想依赖事实揭示科学对生命起源方式的看法。

Q1、生命——自发生成理论

从科学的角度来看，关于生命起源有很多假说，第一个假设虽然有点扯，但人们却相信了很长时间。这就是自发生成理论。

这个观点是亚里士多德提出来的，两千年来被人们视为一个事实。自发生成理论认为生物体可以从无生命的物质中产生。一块奶酪被保存在袋子里，几天后，在袋子里发现了老鼠，这最终使人们相信老鼠可以由奶酪产生(这种想法现在想起来那是绝对的扯)。我们也可以在尸体上看到蛆，人们也认为蛆是腐烂的肉产生的，这你相信吗？

Redi实验

• 验证自发生成理论

1668年，弗朗西斯科·雷迪(Francesco Redi)的实验推翻了蛆来自腐烂肉类的误解。雷迪使用了三个罐子，来控制实验条件。在第一个罐子里，他放了腐烂的肉，并确保瓶口是开着的。在第二个罐子里，放着一块腐烂的肉，把它完全密封起来。在第三个罐子里，放着一块腐烂的肉，确保空气可以进入这个罐子，但是苍蝇进不去。他的实验得到了很明显的结论。

在第一个罐子里，腐烂的肉上可以发现蛆。在第三个罐子里，瓶口纱布上有苍蝇和蛆，但是瓶子里没有发现蛆。在第二个瓶子里没有蛆，外面也没有，因为瓶子密封完好，苍蝇甚至看不出瓶子里有腐烂的肉。这很快反驳了蛆起源于肉的观点。

雷迪的实验是科学史上的一个进步，但人们仍然认为他的结果可能不适用于微生物，比如细菌，他们仍然相信细菌可能来自无生命的物质。1859年，路易斯·巴斯德在他著名的实验中验证了这个争议。路易斯·巴斯德的观点是，空气中的尘埃携带的细菌污染了肉汤，因此细菌不是人们普遍认为是在空气中形成的。为了验证他的观点路易斯·巴斯德收集了肉汤，煮了一个小时来消毒(以保证不含微生物)，然后把它们放在三个不同的消过毒罐子里。

第一个罐子开着让可以让空气进入。第二个罐子用棉花塞住，以便过滤空气中细菌。第三个罐子被连接到一个s形管子上，以便于观察将在管子中收集的灰尘颗粒。他得到惊人的结果。第一个罐子中肉汤是浑浊的，表明肉汤已经被细菌污染了。第二个罐子保持无菌状态，因为棉花塞可以过滤掉细菌。第三个罐子完全驳斥了之前所有的说法，因为在s形管子的一端观察到了收集起来的含有细菌的灰尘颗粒，由于灰尘无法在重力作用下上升，细菌无法进入罐子里的肉汤，所以肉汤仍然是无菌的。路易斯·巴斯德在实验的最后写道

自发生成学说永远无法从这个简单实验的致命打击中恢复过来了。没有一种已知的情况可以证实，微生物的诞生能离开细菌。

这是科学史上的一次胜利，因为自发生成理论被实验证明完全是错误的。

Q2、生命——生源说

关于生命起源的下一个假说是：生命来自外太空。更具体地说，生命的产生是生命孢子被带到地球上的结果。这些孢子含有一些生命必要的元素，这些元素可以很容易地结合起来，并最终导致生命的诞生。这就是所谓的生源说。这个观点的主要支持者是1903年的化学诺奖得主瑞典科学家斯凡特·阿伦尼乌斯，但是生源说的观点可以追溯到公元前5世纪，当时希腊哲学家阿纳萨哥拉斯提出宇宙是由种子组成的，种子可以在到达地球时产生生命。

阿伦尼乌斯在解释生命起源时做了一个假设，他起初提出生命孢子可以通过辐射的压力在行星之间移动。最后他发现细菌孢子不可能暴露在太空辐射中而存活下来。生源说可以说是昙花一现，这一理论甚至被亚历山大·奥帕林发现的原始汤理论进一步扼杀。这是关于地球上生命起源的第三种可能的假设，也是我们讨论的中心。

论亚历山大·奥帕林对生命可能起源的认识

亚历山大·奥帕林(Aleksandr Oparin)的《生命可能的起源》(The Possible Origin of Life)

原始汤

奥帕林的假设是为了回答这个问题;第一个生物分子是如何合成的?从生物学途径的复杂性来看，人们会认为从简单的分子聚集合成生物分子是完全不可能的，但事实证明恰恰相反。

奥帕林提出，前生物地球(生命存在前的地球)有一个还原性的大气层，这种大气可能会使某些化学反应形成生物分子。据信，地球大气层中含有丰富的氢、甲烷和氨。当暴露在闪电或火山的热量下，这些分子可以形成不同的有机分子，这些有机分子溶解在海洋中形成原始汤。

随着时间的推移，这些有机分子发生反应形成复合物。这些复合物会继续形成细胞膜和酶，这就是已知的原始细胞。值得注意的是，印度生理学家J.B.S.霍尔丹的假设与奥帕林的非常相似(奥帕林的假设是第一个提出的，但霍尔丹并没有剽窃)，而且是同时提出的。霍尔丹甚至创造了原始汤这个词。这又一次印证了科学理论的神奇之处是它可以在不同地域，不同环境，不同文化中同时发生，有穿越时空的特性！微积分的发现也是一个典型的例子，我们是否可以认为外星物种也在使用微积分？也会发现它们的原始汤？

原始汤理论的提出，奥帕林和霍尔丹被认为是疯子，我们怎么能诞生在炽热的一滩废水里？直到米勒-尤列实验为原始汤理论提供了证明。

米勒-尤列实验——验证原始汤理论

米勒-尤列实验

1953年，米勒在尤列的监督下，在一个实验室里模拟了假设的原生物地球的条件。他们通过一种含有甲烷、氨和氢的溶液来传递电，这种电可以代表在生命起源前的地球上看到的闪电。所得到的产物是易于观察的氨基酸。其特异性氨基酸为甘氨酸、谷氨酸、丙氨酸和亮氨酸。在原生物条件下，氰化氢可制腺嘌呤，甲醛可制核糖。这意味着RNA（核糖核酸）在原始汤中可以形成。

生化进化中的鸡蛋问题

随着时间的推移，先有蛋还是先有鸡的问题已经被提了出来，但我们现在都知道鸡是先有蛋还是先有鸡的。生物化学进化中的问题与这个问题类似，但又截然不同。例如先有RNA还是先有蛋白质？

虽然RNA世界假说支持RNA，但蛋白质世界假说支持蛋白质。RNA世界假说是最可接受的自然发生理论。

RNA假说表明，RNA既是信息储存库，又是催化剂。RNA作为生物信息存储的一个单位，排除了原始汤中对DNA的需要。这里有个问题，因为DNA是一种更稳定的储存遗传信息的结构，DNA更能抵抗化学物质和其他降解剂的降解。但有一种解释可以使RNA作为储存遗传信息的单位比DNA变得更为合理。

在原始汤中，RNA不断形成，自然选择辅助了整个过程，只有最稳定、最具催化活性的RNA可以存在和不断地合成。较弱的RNA不具备竞争力被停止合成，这个过程可以促进更稳定的RNA的形成，RNA的合成完全是随机的。因此，这意味着在这个过程中合成了具有甲基化骨架的RNA(这将更加稳定)。

RNA能够催化自身分子的复制，这一事实有力地支持了RNA是原生物地球催化剂的观点。换句话说，RNA可以自我复制。而蛋白质没有，也不具备这些能力，所以它们作为催化剂是没有意义的，这些论点都支持RNA先于蛋白质。

现在我们知道，DNA和蛋白质承担了RNA的遗传和催化作用，因为DNA比RNA更加稳定，所以只有在更稳定的分子中传递信息才有意义。与RNA相比，蛋白质表现出更多的通用性，甚至能够催化更多具有特异性的反应。这就解释了为什么蛋白质必须承担RNA的催化作用。

我们有RNA，然后是蛋白质，下一个是细胞？

在原始汤中发生的许多反应导致了早期细胞的发育。我们知道地球是由大量化学物质组成的，人们就会期望原始细胞能够利用这些化学物质。最早的细胞被称为化能自养生物，它们并不适合合成化学分子，但是经过良好的生物工程处理，它们可以利用环境中合成的化学分子。

当原始细胞开始主动寻找自己合成这些化学分子的方法，并越来越独立于周围环境的给养，这就导致了化能自养生物的进化。随后光合色素在这些细胞中进化，它们可以利用阳光的能量固定二氧化碳并产生葡萄糖，由于这时地球充满还原性大气，原始细胞使用硫化氢(HS)而不是水(HO)作为电子供体。随着时间的推移，能够利用水作为电子供体的细胞逐渐演化，从而形成了一种更具氧化性的大气。随着大气中氧的释放，厌氧菌数量减少，好氧菌数量增多，蓝藻是最早表现出这种能力的生物。

真核细胞大约在15亿年前从原核细胞进化而来。这个过程就需要更多的DNA，再加上进化过程需要将DNA包装成更紧凑的结构，如染色体，这又导致了对真核细胞的需求。真核细胞具有细胞膜，这将在很大程度上有助于细胞的分裂过程。一些真核细胞将继续与某些原核细胞形成内共生关系，赋予它们自身产生氧气的能力，并进行光合作用。一些好氧细菌实际上变成线粒体，而氰细菌变成了叶绿体。

随着时间的推移，细胞们突然发现抱团生存比单独生存在生物学上更有竞争力，这些细胞作为一个团队，可以更加专注于增强生命所需的不同过程。它们进化的更快，繁殖得更多。这些细胞最终开始以菌落的形式存在，这就导致了更复杂生物体的进化，这些生物体可以执行生命所必需的不同功能。这时基本上单细胞生物就变成了多细胞生物。

遗传密码：它能对进化说什么。

遗传密码是普遍适用于几乎所有的生物体，所以观察生物的进化过程可以通过寻找某些基因序列的突变来实现。由于进化的需要，突变使得某些基因产生变异，并使最能适应环境的基因物种茁壮成长。突变发生在分子水平，但随后的产生的结果可以从形态学上表现出来。基因突变可以是单个核苷酸的删除或添加，也可以是一个核苷酸替换另一个核苷酸。但无论怎样去添加删除或者替换，其结果都使得整个地球生物从整体方向上往前发展。

生物化学对生命的起源的方式已经给出了可能的结论，但这仍然留下了许多悬而未决的问题。我们虽然对生命的起源还存在争议，但古生物的化石记录证明已经充分的证明了生物进化的过程，这一点我们毋庸置疑。