我们刚刚收到更多证据表明地球上的生命可能始于 RNA,日本科学家创造了可以自行复制、多样化和发展复杂性的 RNA。
早在地球出现第一个原始软泥细胞萌芽之前,它就充满了一种搅拌着的有机汤,它处于某种深奥的边缘。
复杂化学和生命进化之间的细微界限代表了生物学出现的关键时刻。不幸的是,尽管它非常重要,但我们对它到底是如何发生的细节知之甚少。
东京大学科学家进行的一项实验现在强化了这样一种观点,即 RNA 的独特才能有能力解释数十亿年前生命是如何诞生的,支持了所谓的“RNA世界' 假设。
但研究还表明,事情的发生可能并不完全像我们想象的那样。
他们的工作表明,对于当今所有生物的生存和繁殖仍然至关重要的分子,如果作为一个团队发挥作用,如何能够逐步走向不断进化的系统。
“我们发现单一的RNA物种进化成一个复杂的复制系统:一个由五种具有不同相互作用的RNA组成的复制网络,支持了长期设想的进化过渡场景的合理性,”说进化生物学家水内亮。
剥离其最基本的要素,生命是由分子组成的,这些分子可以自我复制,产生几乎无限的变体群体,这些变体可能(或可能不会)将其结合在一起足够长的时间来自我复制。
对生命起源的探索实际上是在寻找能够执行这种复制任务的候选者,而无需高度专业化的有机材料(例如 DNA 或蛋白质)的支持。
RNA长期以来此搜索中的领跑者。它在今天的生物圈中无处不在,可能存在于古代地球上后果非生物过程,可以保存大量信息,并充当动态物理单元。
这意味着它有可能制造出可以物理构建新分子的结构,而新分子又可以构建新结构。如果这个过程不完美,一些“复制”结构将比其他结构更快或更有效地完成工作,成为 RNA 的主要形式……至少,直到更好的东西出现为止。
尽管这个想法很诱人,我们已经认识几十年了单个 RNA 分子的自构建单元对于这种情况来说太简单且太不稳定。即使是它的脱氧兄弟DNA,也缺乏足够长的时间将自身保持在一起的勇气,让自然选择能够顺利起步。
这并不意味着多个团队作为一个团队无法完成这项工作。在群体水平上拥有少量不同的复制单位可能会轻松解决这个信息问题。
人们围绕 RNA、DNA 甚至蛋白质设计了各种复制子,以展示其如何可行地发挥作用,研究人员竭尽全力构建允许分子结构协作并以合适的速率进行复制的功能。
虽然它们可以维持复制,但到目前为止,它们都没有随着时间的推移而变得更加复杂,这就留下了 RNA 是否能够进化的问题。
Mizuuchi的团队已经破解了RNA分子的正确设计,以创建单独的复制分子,这些复制分子可以集体运作,不仅可以保存信息并随时间变化,而且可以使解决方案在连续几代中变得更加复杂。
他们的实验使用了悬浮在油中的水滴中克隆的RNA长度,这些水滴经历了一百多轮的复制,每一轮都经过测试和分析。
“老实说,我们最初怀疑如此多样化的 RNA 是否能够进化并共存,”说水内。
“在进化生物学中,‘竞争’”指出,如果多个物种争夺相同的资源,它们就不能共存。这意味着分子必须建立一种方式来相继使用不同的资源以实现持续的多样化。它们只是分子,所以我们想知道非生命化学物质是否有可能自发地发展出这样的创新。”
概念验证表明这是可能的,只要 RNA 不相互竞争资源,而是以一种宿主-寄生虫的方式相互依赖。即使其中一个 RNA 复制基因被移除,其他复制基因也会灭绝。
虽然我们可以更有信心“这种情况是合理的,但它未能表明数十亿年前地球上生命是如何繁盛的。为此,我们需要从地质学到天体物理学的多种证据来建立令人信服的案例。
尽管如此,这在我们寻找化学进化模型的过程中向前迈出了坚实的一步,这些模型能够将原始的粘液转化为一系列令人眼花缭乱的生物多样性,而这些生物多样性至今仍在变得更加复杂。
这项研究发表于自然通讯。