关于生命起源的猜想

       因为是猜想,所以有许多不确定或者不合理的地方,希望提一些建设性的意见。此猜想仅代表个人观点。

       米勒曾经模拟地球形成之初时的大气环境,在持续放电一段时间后得到一些氨基酸、嘌呤、单核苷酸等小分子的有机物。但没有形成生命。生命与非生命之间的巨大鸿沟至今没有被填补。

      恩格斯曾经预言,要解决生命的奥秘,首先要解决蛋白质的奥秘。65年中国首次合成具有生命活性的蛋白质——牛胰岛素——以来,已经过去了半个世纪,生物学界发生了许多重大的事件,但距离制造生命还遥遥无期。恩格斯的预言没啥用处。

      首先我界定一下生物与非生物的区别。任何一种物质的性质都依赖于结构,化学中有一句话叫做:结构决定性质。生物与非生物的区别在于结构,生物是能够自组织、自复制的物质结构。

     自组织:能够从外界环境中吸收所需组分。

     自复制:能够将这些组分合成与自身结构相同的结构。

    什么样的结构具有自复制能力呢?目前来说,遗传物质DNA或者RNA能够做到。简单生物采取RNA作为遗传物质,其结构比较简单。人类的DNA序列太过于复杂了,有数十万之多,不是一个好的研究对象。目前发现的最简单的微生物SV40病毒,其多聚核苷酸分子量为3×106,碱基对数5×103,大约涉及到2000个原子。如果说只有5-10个原子,通过一定条件下发生化学反应而生成某种物质,是让人容易接受的。而2000个原子未免太多了一些。当然我们现在能够合成的高分子化合物,其分子的巨大程度完全可以超过这种病毒的RNA,但那样一种合成都是重复结构,不讲究特殊的排列,而且我们不能精确的控制其聚合的长度。

     说2000多个原子恰好凑在一起形成RNA,进而形成生物是不大可能的。如果我们以分子为单位,即以嘌呤(生成碱基的)核苷酸分子为单位的话,其数目也要上百。将近100个分子一起反应生成一种大分子可能倒是有可能,不过起反应速率恐怕慢得惊人。

     大学里学的反应速率的计算公式忘记了,在印象中跟反应参与的分子数目层指数递减。一般的基本反应是2分子间进行的。如果一个反应是3分子的间的反应,要么速度很慢,产率极低,要么是分两个基本反应来完成的。

      那么作为一个生命体,满足自复制的基本要求的至少需要多少核苷酸分子和嘌呤分子呢?100个还是太多。

      问题还有:要满足自组织,我们还需要除RNA之外的结构,比如膜结构有助于选择正确的氨基酸,核苷酸和嘌呤,而把其他物质挡在外面。

      同时满足自组织、自复制两大功能,无论怎么看都不大可能。所以我设想,最初的分子先满足自复制,而后满足自组织。为了在没有膜结构之前,有足够的分子发生反应生成具有自复制能力的RNA,我假定这个反应在一个小水洼发生,此水洼经过多次下雨,蒸发,其中氨基酸,嘌呤等原料分子的浓度相当大了。之所以在水洼是因为在有水存在条件下,反应速率会加快。

      在出现第一个具有自复制能力的分子之前,天气很炎热,有几天没下雨了,水洼逐渐干涸。

高温天气使分子的运动变得剧烈一些。其中有6个核苷酸分子反应生成了一个6聚核糖——这应当是能够实现的。然后嘌呤加在上面(这是一个2分子的反应,很容易)形成6个碱基。这6个碱基每3个可以固定一个氨基酸(氢键作用,是必然的)从而在6聚核糖链上生成一个2肽。并随着分子的热运动而脱离开来,成为游移状态,此2肽的特殊功能是:能够反过来以氢键作用固定住2个6聚核糖。————我这个设想是违背现在的基因规律的————具体违背的是“中心法则”。中心法则说遗传物质可以把信息传递给蛋白质,但蛋白质不能把信息传递给遗传物质。

但中心法则说的是蛋白质,我这里是二肽,还是有一些区别的。小的分子,其氢键的作用力就比较大,而随着分子的变大,氢键的作用力就微乎其微了,所以蛋白质不能反过来影响遗传物质是可以理解的。

随着越来越多的6聚核糖因为2肽的作用生成12聚核糖,18聚核糖,24聚核糖,6聚核糖浓度越来越低,这种对RNA有巨大改变作用的二肽产量减少。随着分子热运动,它也逐渐分解。最终消失。————它不能不消失,因为它如果还存在,那么对RNA链的稳定性有害。也许此时下一场大雨更有利于此二肽浓度的减低。

雨季终于来了。在雨季来临之前,有些RNA中碱基数增加到24对,甚至48对。并用它们合成了一些8肽或者16肽,它们与磷脂小分子以氢键结合并形成一层膜结构,使RNA周围的原料小分子保持一个比较稳定的浓度。比生成6聚糖之前的浓度低,但比雨季里水洼外面的浓度高。

这些具有膜结构的物质“团块”现在具有自复制能力,但自组织能力还很差,所以不能称为生物。

下一个炎热的旱季到来了。原料小分子随着水分蒸发,浓度逐渐变大,并被吸附到膜结构上,随着膜上8肽或16胎的翻转(热运动),将合适的原料小分子卷进膜内。RNA的碱基吸附了足够的核苷酸,形成一条与自己完全相同的多聚核糖。吸附了足够的氨基酸,形成了与以前一样的8肽或16肽。膜结构不断变大。最后增大的膜结构不能平衡氢键的吸引力,从而膜结构破裂,并分成2块,每一块包着一个RNA。

真正意义上的生物就出现了,这样一种结构就完成了自组织和自复制。

我的猜想最不可靠的地方在于,有没有这么一种2肽具有连接RNA功能。我想这个实验是能做的。如果再复杂一点,3肽也是可以接受的。4肽以上就不能接受了,因为生成4肽需要12个碱基,也即一下子就需要12个核苷酸碰撞在一起,形成大分子。

参考影视:复制生命之迷DNA