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1700260360 像我们刚才设想的那样,那些催化效率更高的酶RNA能在同样的时间内复制更多其他的酶RNA,而更多的其他的酶RNA又反过来能更快地复制这种催化效率更高的酶RNA。这固然是个办法,但太迂回了,显然不是最好的办法。
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1700260362 至于最好的办法,想必一些机智的读者已经看透了:正所谓先下手为强,只要能以最快的速度结合到RNA复制酶上,就能优先抢占复制资源,最快地复制自己,除此之外越短越好,什么都不需要,什么都不该管,什么物质代谢能量代谢,让别的RNA去催化吧,我只需坐享其成,套用理查德·道金斯经典之作的名字,这就叫“自私的碱基序列”。[2]
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1700260364 而且这可不只是“推敲”而已,在已知的实验中,我们早就见过吻合的事实了。
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1700260366 1965年,DNA重组技术的奠基人索尔·施皮格尔曼[3]正在尝试人工扩增RNA。他在试管里加入了目标RNA、各种核苷酸以及从细胞里提取的RNA复制酶,放置在恰当的温度下一段时间之后,再把复制产物提取出来,投入新的试管,重新加入各种核苷酸和RNA复制酶,开始新一轮的复制。[4]
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1700260368 就这样循环往复了许多轮,施皮格尔曼惊讶地发现,无论最初加入试管的目标RNA是什么,经过许多轮的循环复制,最终的产物都是同一条218个碱基的RNAI——换句话说,在施皮格尔曼的人工扩增体系中,这条RNA就是“进化的终点”,依据发现者的名字,它被命名为“施皮格尔曼怪”(Spiegelman’s Monster)。
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1700260370 至于施皮格尔曼怪何以成为进化的终点,正如我们刚才推敲的,它是结合RNA复制酶最快的短序列。
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1700260372 后来,作为对这个实验的验证,在1997年,普朗克研究所的生物化学家们也做了一个类似的实验,他们采用了更加高效的RNA复制技术,先在装有目标RNA的试管中加入逆转录酶[5],把目标RNA逆转录成大量的DNA,再把这些DNA提取出来与RNA聚合酶在新试管中混合,获得更大量的新一代目标RNA。如此循环往复,他们得到了两种更加短小的施皮格尔曼怪,一种有54个碱基,一种有48个碱基,分别是RNA聚合酶和逆转录酶的结合序列。II
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1700260374 这样的事实似乎意味着,在生命出现之前,纯粹由酶RNA构成的复制团体会将进化中的“自私”放大到极端的程度,从根源上阻止进化。但这样的怀疑是站不住脚的,因为极端自私作为一种策略,固然可以获得短期的优势,却也酿成了长远的孤立和破坏,迟早成为致命的劣势。
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1700260376 再说得具体些,施皮格尔曼实验为RNA的复制提供了极尽理想的环境,在这样的环境下,一条RNA能以多快的速度扩增下去,唯一的决定因素就是它能以多快的速度结合到RNA复制酶上。但是,白烟囱,或者任何可能的生命起源环境,都不是“极尽理想的环境”,没有人来提取复制产物,更没有人源源不断地添加RNA复制酶和各种核苷酸。之前的故事固然常用“持续”“充沛”“源源不断”之类的措辞形容白烟囱里的有机化学反应,但那都只是相对而言,地质化学反应的物质产出要比生物化学反应低下太多了,任何资源都没有可靠的保证。
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1700260378 所以,如果某个RNA团体充斥着施皮格尔曼怪,那么所有的核苷酸都会被施皮格尔曼怪迅速垄断,这将使其他所有的RNA,包括RNA复制酶RNA,都失去复制的材料,于是,整个自我复制的团体就因此消亡了。
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1700260380 这就像是深入无人之境的拓荒团,如果队伍里充满了流氓和小偷,那么很快就会资源耗尽而集体饿死。反过来,如果某个RNA团体发展出了施皮格尔曼怪的抑制机制,那就像拓荒团做到了纪律严明,每个成员都有希望幸存下来了。在此基础上,如果这个团体像第十二章末尾畅想的那样,继续发展出了能够催化固碳作用和能量代谢的酶RNA、催化有机酸变成氨基酸的RNA、催化氨基酸连接成蛋白质的RNA……拓荒团就终于开始卓有成效的生产经营,可以成长壮大起来了。
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1700260382 那么,RNA的团体真的有办法抑制施皮格尔曼怪吗?对于40亿年前的事情,我们当然没法说得多么笃定,但如果是问RNA有没有这个能力,答案就是明确而肯定的了。因为早在20世纪90年代,我们就发现细胞内存在着复杂的RNA干扰机制。凭借这些机制,细胞如果要抑制某种RNA的活动,就可以制造许多与它互补的RNA片段,散发出去,与那种RNA牢固地结合住,使其失去功能,甚至,某些片段还能与RNA酶配合工作,直接把那种RNA剪断。
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1700260384 仔细想想看,这的确是意义深远的事情。一方面,RNA干扰证明了RNA之间的相互作用已经足以实现复杂的调控机制,让施皮格尔曼怪无法兴风作浪,这让RNA世界的持续复杂化成为可能。但是另一方面,施皮格尔曼怪处在同样的进化中,它们如果突变出了反抑制的手段,不就可以继续过上不劳而获的日子了吗?这势必形成一种RNA层面的军备竞赛,每当RNA团体进化出更加强大的抑制机制,施皮格尔曼怪就见招拆招,跟着进化出更加奸诈的反抑制机制,永远没有尽头。
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1700260386 说起“永远”,我们现在认为,RNA团体进化得越来越复杂,最终变成了细胞,那么,40亿年前的施皮格尔曼怪,如今进化成了什么呢?
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1700260388 病毒,施皮格尔曼怪很可能进化成了病毒!对于分子生物学,这是一个非常大胆的推测,但对我们来说,这个推测却分外眼熟,因为早在第十一章中,我们就用另外一种措辞表达了这种推测:在生命起源的每个阶段,都有一些“半成品”不再复杂化,而专门盗窃其他半成品的代谢成果复制自己,这样的半成品最终进化成了各种各样的病毒。也就是说,这个推测里的“施皮格尔曼怪”并不特指1965年的218个碱基,抑或1997年的两种短小的RNA,而泛指那些极端自私、劫持其他RNA以复制自己的RNA,甚至也包括RNA世界发展末期的某些DNA。
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1700260390 对于这个推测,一些已知的事实正让它变得可信起来。比如,在今天的细胞里,RNA干扰的一大任务正是对抗病毒的感染。动物有专门的免疫系统,或许不那么看重RNA干扰机制,但对于植物和单细胞生物,尤其是细菌和古菌而言,RNA层面的干扰机制就格外活跃,不但能有效瓦解入侵细胞的病毒,还能封印基因组中的逆转录转座子。而根据对保守碱基序列的比较,RNA干扰机制也极有可能就是末祖传递下来的,那正是RNA世界末期的事情。III
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1700260392 但是正所谓道高一丈,魔高一尺,又有许多病毒专门进化出了特殊的手段,反过来规避这些RNA干扰IV。那场军备竞赛如果真的延续至今,可不就该是这副模样?
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1700260394 生命的起源:所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的? [:1700256333]
1700260395 ·比病毒还小的RNA·
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1700260397 不仅如此,我们越来越怀疑,某些最成功的施皮格尔曼怪即便经历了40亿年的进化也没有变得面目全非,还保留了许多当初的特征。1971年,美国植物病理学家西奥多·迪纳调查了“马铃薯纺锤块茎病”,发现这种传染病的病原体是一种前所未见的有机体,像病毒,但是比病毒更简单,于是把它称为“类病毒”。
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1700260399 简单地说,类病毒是一种环状的RNA,而且这个RNA真就只是RNA而已,完全裸露着,不像病毒那样裹着衣壳和包膜。而且类病毒的RNA极端微小,不到400个碱基,甚至只有200多个,哪怕最小的病毒也有它们的几十倍大。当然,这样短小的RNA也不可能编码任何蛋白质,它们所做的一切就是通过伤口钻进细胞,然后劫持细胞里负责中心法则的酶,复制自己。
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1700260401 如果类病毒的尺寸与行径让你疑心它与RNA世界有什么联系,那你的确想到前面去了。迪纳在发现类病毒之后投入了十余年做深入研究,到1989年,他做出了一个大胆的推测:类病毒很可能是RNA世界最古老的孑遗。V
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1700260403 或许由于当时的人们还不够了解类病毒,迪纳的推测在当时并没有收到太多反响。但是到了近些年,关于类病毒的推测被人们重新拾起,开始得到郑重对待。比如,西班牙巴伦西亚理工大学的分子生物学家里卡多·弗洛雷斯就是类病毒研究的重要人物,他在2014年的论文VI中提出了非常引人瞩目的推测:类病毒那微小的尺寸和极致简单的结构,非常吻合早期RNA应有的模样,迪纳关于类病毒是RNA世界孑遗的想法,很可能是对的。
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1700260405 比较直观的是,类病毒的一级结构是个首尾相接的环,这样就更加稳定,也不容易在复制时丢失两端的序列;同时,它们的碱基也含有更高比例的C和G,它们配对之后比A和U更加结实[6],那些生活在火山温泉和热液喷口的嗜热微生物也同样拥有这个特征。
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1700260407 说起配对,类病毒虽然短小,却也同样形成了精巧的二三级结构。由于大范围的自我配对,类病毒在整体上拉长成了双链,这不但让它更加稳定,还让它能冒充双链DNA,结合到RNA聚合酶上,然后利用这个酶复制自己。
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1700260409 对于那些熟悉中心法则的读者来说,上面这段话稍一推敲就会冒出三个疑点。第一,RNA聚合酶通常以DNA为模板,转录出互补的RNA链(如图4—7),那么,它以类病毒为模板,也应该是聚合出来一条类病毒的互补RNA。第二,RNA聚合酶的工作总有个开端,所以互补RNA将不是一个环,而是一条线。第三,类病毒的一级结构是个环,RNA聚合酶沿着它周而复始,聚合出来的RNA就会是一条无穷无尽的循环序列,又该怎么分割呢?
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