1700260024
图4—3 单链RNA一小段片段，红色的分子式部分是一个“单体”。背后的浅色形状可以帮助你把这个片段对应到第六章的图2—43上去。（作者绘）
1700260025
1700260026
1700260027
1700260028
1700260029
图4—4 核糖核苷酸的结构，更准确地说，是“磷酸核糖核苷”的结构：核苷部分由核糖与某种碱基缩合而成，在此基础上，5’上缩合了几个磷酸，就叫“核糖核苷几磷酸”，也称“几磷酸某核苷”。另外，如果把2’上的羟基换成氢原子，核糖就变成了脱氧核糖，可选的碱基也会相应地变化——这些知识在第六章就已经讲述过，在这一幕之后的内容里会变得更加重要。（作者绘）
1700260030
1700260031
不过在实际的生化反应里，用来聚合RNA的单体如图4—4所示，也就是生物课上被称作“核苷酸”的东西，你会注意到它们比RNA里的单体多了两个磷酸基，那是因为这两个磷酸基一旦水解就能释放很多的能量，这在聚合的时候推动了整个反应——说到这里，你应该识破了它们的本来面目：这些用来聚合RNA的单体，什么腺苷三磷酸、鸟苷三磷酸、尿苷三磷酸还有胞苷三磷酸，不就是各种生命都在使用的“能量通货”吗？
1700260032
1700260033
所以继续拆解RNA的单体已经是轻车熟路、一目了然的事情：仍然看图4—4，左半部分黄色的分子式是核糖，成串的红色分子式是磷酸基，右半部分择出来用蓝色文字标注的，是各种碱基的“特写”。
1700260034
1700260035
在这三个部分里，磷酸不需要解释，因为它是最简单的无机物，白烟囱里到处都是。而核糖与碱基就要麻烦一些了，它们需要一些有机化学反应，才能从乙酰辅酶A路径的产物里合成出来。
1700260036
1700260037
就让我们先从简单的开始吧——核糖只需要甲醛一种原料就能合成出来。
1700260038
1700260039
从某种角度上讲，这也是很“显然”的事情，因为核糖与葡萄糖一样，是碳水化合物，元素比例满足通式“Cn（H₂O）n”，而当n取1的时候，这个物质就是甲醛（HCHO）。
1700260040
1700260041
这个把甲醛变成糖的反应，就是这一章的前半个标题，“甲醛聚糖”[1]。
1700260042
1700260043
甲醛聚糖反应是俄国化学家亚历山大·布特列罗夫（Aleksandr Butlerov，1828—1886）在1861年发现的，所以这个反应也会遵照惯例被命名为“布特列罗夫反应”（Butlerov reaction）。实际上，甲醛这种物质也是他在1859年发现的。
1700260044
1700260045
甲醛聚糖反应虽然涉及了非常艰深的有机化学原理，但如果只看反应物和生成物，却简单得不得了：如图4—5，在恰当的条件下，两个醛相遇，会首尾相接地连起来，这个醛变成前半个，那个醛变成后半个，组成一个碳链更长的醛。这个碳链更长的醛又能继续连接别的醛，形成碳链越来越长的醛。[2]
1700260046
1700260047
不过，这些醛的碳链也不能无限延长下去，因为这个反应合成的醛会带有非常多的羟基，这并不是多么稳定的结构，所以这些醛的碳链延长到一定程度就会自行折断，变成更短的醛。
1700260048
1700260049
于是，一方面是碳链不断地延长，另一方面是过长的碳链会自动折断，作为这两种趋势的折中，那些具有五六个碳原子的多羟基醛，既有比较长的碳链，又不太容易自动折断，就会越聚越多，在整体上成为反应的终产物了。[3]
1700260050
1700260051
具有五六个碳原子的多羟基醛，那不就是糖吗？
1700260052
1700260053
是的，我们熟悉的许多种单糖，包括葡萄糖、半乳糖，还有用来构成RNA的核糖，都能从这个反应里源源不断地生产出来，这就是为什么，这一系列的反应会在整体上被称作“甲醛聚糖反应”，也是为什么，它会在RNA世界假说里占据重要的位置I，成为我们这个故事里一块非常重要的拼图：在刚刚结束的第三幕，氢气和二氧化碳正在白烟囱里通过这样或者那样的途径源源不断地转化成甲醛；而甲醛聚糖的反应条件，又刚巧是富含+2价金属离子的碱性溶液，简直就是挑明了在说碱性热液——还记得吗？2014年，尼克·莱恩在实验室里模拟了碱性热液喷口[4]，其中果然生成了少量的核糖，那的确是意义深远、值得反复观察的成果。另外，在这本书的草稿刚刚写成的时候，2019年11月，人类甚至在天外的陨石里找到了太空中形成的少量核糖II，可见，这种物质其实没有那么神秘。
1700260054
1700260055
1700260056
1700260057
1700260058
图4—5 甲醛聚糖反应的流程：在碱性环境下，以甲醛为单位不断发生羟醛反应，形成碳链越来越长的醛；同时，一些醛会发生互变异构，成为对应的酮。而这些醛或酮，都是糖。（作者绘）
1700260059
1700260060
磷酸与核糖都好解决，碱基就稍微麻烦一些。因为核酸的碱基都含有氮元素，而且具有环状结构，氮元素是以怎样的形式、怎样的反应参与进来，就成了一个颇具争议的问题。
1700260061
1700260062
在如今的细胞内，氮元素是以氨基酸的形式参与反应的。在第八章的图3—3，我们说过，三羧酸循环是细胞代谢的中央环线，循环中的羧酸可以脱离循环，转化成氨基酸，氨基酸又进一步地转化成其他各种物质，包括核酸中的碱基。稍具体的情况就如图4—6所示，但详细的合成反应实在非常复杂，它们是如何三三两两个、七七八八步合成的那些看起来有些复杂的环，我们就不必追究了，毕竟，我们不可能要求现代细胞的代谢反应原封不动地发生在40亿年前。
1700260063
1700260064
至于在没有生命的条件下它们又该如何形成，在过去的几十年里，各种生命起源假说都在溶液、黏土、矿物表面，甚至外太空的种种环境里摸出了碱基合成的门道。2011年2月，美国公共广播公司（PBS）的招牌科学节目《新星》（NOVA）还专门制作了一期题为“揭示生命起源”[5]的10分钟短片，以《自然》杂志2009年发表的新研究为基础III，讲述了四个碱基中的胞嘧啶如何在反复蒸发的小池塘里生成出来，加载到核糖上。当然，如此多的假说和如此多的方案，仍是我们既难讲明白，也不必讲明白的。
1700260065
1700260066
不过，可以稍稍涉及的是，这些假说常常会把氢氰酸和各种有机氰化物当作碱基合成的材料，因为氰根（-C≡N）既有碳原子也有氮原子，还有非常不饱和的化学键，很适合作为化学合成的原料。但是另一方面，氰化物对于今天的绝大多数生命来说都是剧毒。这就产生了一种古今之间的矛盾。
1700260067
1700260068
对此，一种很有说服力的观点是，氰化物对现代细胞有剧毒，是因为这种物质能够强烈抑制细胞的呼吸作用[6]，而40亿年前的地质化学反应并没有这个忌讳。这就如同白蚁在今天看来是些烦心的害虫，但在数万年前的狩猎采集时代却是可口的蛋白质来源。原本是资源，后来却变成祸害，这从长远上看是合情合理的事情——生命毕竟是生命，一旦形成就开始了永不停歇的进化，就会用更加高效的生物化学反应代替粗劣的地质化学反应，那些孕育了生命的化学反应并不必然会被今天的细胞继承。
1700260069
1700260070
那些认为生命起源于海洋表层或者火山口热泉的假说，就尤其青睐这种解释。
1700260071
1700260072
但是反过来，又有另一些研究者认为今天生命应该与最初的起源保留了更多的联系，而氰化物可以合成碱基，就如同米勒-尤里实验中的氨气和甲烷可以合成氨基酸，只是在理论上证明了一种可能，在观念上实现了某种祛魅，但在事实上却没有什么意义，并不能解决生命起源的难题，所以他们提出的碱基起源假说就会仿照生物化学反应，原料只有氨基酸和二氧化碳。
1700260073