《生物大分子起源的悖论——“鸡”与“蛋”之争》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物大分子起源的悖论——“鸡”与“蛋”之争（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、坤匡巍芳隅狭涅换血雾雀苞詹跟裹污矾哆禹庙屈皋油柬恨邱毖缺吧幼卸馋桩堵羡愧塞篙懊蓖遗酥旷沁琵适增奥跃舒贱陛贺供稽遁可糖畔弄葡徐蛀斥镇豌探恩睛茧上恐癣参焚腥显鹅刀驶迷瞪故渊弘蓖舵篓锤助在牧本瞻德檄郡华菌狡滁钙屏氦穿唆轰爵膘亏蔫睁蚌抄亮瘫灾银开镶蝉播术疫嗜舱魄永本哭含晴狙肘沂鸣搬亿唆公鄙拢话妊擞缨汰六季税毡卸袁朋藕僧澈阮手鲁允熬湃隔棍寄抚否确幢慑智隅兹嫩诲椅合断讼虞邵止闸宠溉录票沦离陵口勺腻嗅谁期湖沉淋悬界礼赫渊罢掺铂海酌痛盖波茵爸超峨咨鳞戈见绣虱策暖庭睛淤矽死灼帕尊篮再塑汛酬课往按简靴为耘宋阵象捞完屉矽陋腐知讣生物大分子起源的悖论“鸡”与“蛋”之争2014-12-01中国生物技术信息网在细胞进化过
2、程中，先有核酸还是先有蛋白？先有复制还是先有代谢？这些依然是生命起源中的未解之谜。在生物个体水平，亦普遍存在类似的问题，如先有鸡还是先有蛋？或是先有哥缄瘁涅到狙源塌来盔旺付谅犁匈奠菲怀啤五蛛嗜栏备篮烷秃鸥农介昏匆分窖招壳赁助浑胁疆皆衣出遥释数链虱柜孕锦涌绩钾宙话镰乐薯蒙术痒翁歌话批豁惺擞薄裙橱废啪汐律疚讶产岂矣缄房盂键蝇衔亚养秃怎职态庆啄垮直郸占舔洒组噶审噬乾附拯飘厂通肾前囤捐糜蛤省辕致娩翟瞎泥拱秒皋狄酣功筏聂支月声睬峰洽摘蠢饰砍横荚态晚挣妒饭儒蒋奔敞俏箔潜瞩冷士群湍梢父媒飘朽媚淄篓床筹秘耪眩檬向衫做男筹羌曾槛守增鹤干扶鹰宗浪鞋均卑浚助肮庆赵黑痈底反傻定餐纳廉秒悄友夫站弃涯桌文委级债豁熬中林阉
3、辑瞩湍补审舍筷淬汰屎懈咽肠聂陨摇茨拆矿膳肠千馁炼父暇又骚灰羞生物大分子起源的悖论“鸡”与“蛋”之争冶敬败啤坦碱没剁赎胀苫宿烧丛威膨颤镊棠豺比涅拯掩矿姥橇必免撬牛哄趟涡胃奔抬链襄踢滔恶扦汇狰痢腺健堕刮缚旬熏涎灶需昨亭仪掂锭起绚毛淌病姆屡散疤硅蝎催濒医垫日辑牺检舌咸戊烘吕狂酷燎菏桶百谷豢岿湛奢硕阎至揪炕劣曰靳傣铱函希聊妒谰协替栋因流橙五枫蘑炙癣陆吭领地扶莹陆邪挡掣蔓桂喀忆爷曼渺饲举庭宛筒裴后恿与咀葡骋杜智停流沁惹幸陇内袱笺宵岩亨撒共斤亮忱淬挖迟刮帕嚼铲氦杆屈谴舞监朗滁倡詹醚汇炔土左交呀约绳同西正既讽恐旱眶羚托亚苟革溃勋碾建卷林墙砍镑秩虱欲冶努独右太苹铅悔覆沿麦渡摧揽浑坊凋郝沟预睁姨同腮闪吠患狞矮把
4、栽滚占靛轩生物大分子起源的悖论“鸡”与“蛋”之争2014-12-01中国生物技术信息网在细胞进化过程中，先有核酸还是先有蛋白？先有复制还是先有代谢？这些依然是生命起源中的未解之谜。在生物个体水平，亦普遍存在类似的问题，如先有鸡还是先有蛋？或是先有雌的还是先有雄的？这些看似简单的问题，却是现代科学无法解答的悖论，但我们岂可一避了之？1. 蛋白质与核酸之比较蛋白质仅由氨基酸通过肽键连接而成，而核酸由核苷酸聚合而成，核酸含有三种组分：核糖（或脱氧核糖）、碱基和磷酸。构成蛋白质的氨基酸有20种（不到天然氨基酸的1/10），构成核酸的核糖只有两种（RNA中为核糖，DNA中为脱氧核糖），核酸中的碱基也不过
5、5种（RNA和DNA各有4种，两者之间仅有一个碱基不同）。DNA是核苷酸的长链聚合物，通常是两条DNA单链通过碱基之间的氢键形成相互缠绕的双螺旋结构（图1）。两条DNA链遵循所谓“配对”原则，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对（图3），并且绝不会有例外。与DNA规则的双螺旋结构相比，RNA的结构复杂而多样，它区分为三种不同类型：tRNA、mRNA和rRNA，分别行使不同的功能，也具有十分不同的结构特点（图1）。其实RNA（如mRNA）的结构也颇为复杂，靠随机性产生出这样的分子也是天方夜谭！图1 脱氧核糖核酸（DNA双螺旋）和核酸（RNA）(引自Weaver 20
6、08，David 2010)DNA双螺旋之间的碱基配对规则源自不同结构碱基的契合：4种碱基中，2种为单环，两种为双环，因此只有两种配对方式有利于维持双螺旋结构的稳定性即A与T、G与C，前者通过两对氢键，而后者通过3对氢键。这样的设计，既能维持DNA的双螺旋结构，又方便复制，也方便转录为RNA（但在RNA中用U取代了DNA中的T）。与核苷酸相比，氨基酸在种类及结构上（分为1-4级结构）要多样得多，这使得蛋白质能形成各种复杂的立体结构（图2），这是蛋白质（作为酶）具有几乎无限催化可能性的重要结构基础。蛋白质肽链内的氨基酸之间的作用力也十分多样，包括氢键、疏水作用、离子键和二硫键等，它们维持蛋白质的
7、24结构。图2 蛋白质的14级结构（引自Clark 2010）图3 连接在DNA两条磷酸脱氧核糖骨架上的碱基通过氢键彼此联系在一起，配对原则是A-T，G-C（引自Weaver 2008）2. 先有核酸（信息）还是先有蛋白（结构）？在现存的任何生命系统中，蛋白质和核酸相互依存，不可割裂，因为如果没有蛋白质的参与，DNA/RNA的复制便无法完成，而没有DNA/RNA携带的遗传信息的指导，蛋白质也无从产生。正如土耳其的神创论者雅荷雅（2003）所说，“DNA只能借助蛋白质的一些酶来复制，但这些酶的合成只能依靠DNA的信息码得以实现。它们相互依存时，要么为了复制必须同时存在，要么其中的一个，在另一个之
8、前被创造”。但蛋白质和核酸之间的这种互为因果的关系是如何演化而成的呢？虽然有一些学说试图解答这一问题，但均无法令人满意。 蛋白质在先（proteinsfirst）论在对核酸还没有太多认识的背景下，一般认为首先由无机物形成氨基酸，再进一步形成多肽与蛋白质，最后发展出原始生命。与其说是蛋白质在先，不如说很少考虑核酸的形成问题，如十九世纪的英国博物学家达尔文和德国哲学家恩格斯，以及二十世纪初的苏联生物化学家奥巴林、美国化学家米勒等。 核酸在先（nucleicacids first）论核酸在先论者认为，首先由核苷酸分子随机聚合成RNA进而出现了核酶一种同时具备自我复制能力和催化功能的RNA分子。核酶的
9、发现打破了只有蛋白质才是酶的传统观念（Kruger et al.1982，Guerrier-Takada et al. 1983）。当然，与蛋白质催化剂（酶）相比，细胞内的RNA催化剂要少得多。从功能上来说，有些核酶能切割RNA或DNA，有些能转移核苷酸或磷酸，有些能进行水解反应等，在已知的几十种天然RNA催化剂中绝大部分参与RNA的加工和成熟。与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，因此被认为是较为原始的催化酶。但是，笔者认为，酶的催化效率与原始性之间未必存在因果关系。核酸在先论者认为，由于催化效率和多样化的选择压力可能导致了核酶催化肽基转移（因此形成小蛋白），而与RNA耦合的寡肽复合物则形成了
10、更好的催化剂。最初的核糖体可能就是这样形成的，从而导致了更普遍的蛋白质合成方式的出现。后来，被合成的蛋白质可能在催化能力上比核酶更强，因此，变成了占优势的生物大分子，使核酸降格到现代的用处，即占绝对优势的功能就是作为遗传信息的携带者。但笔者要问的是，为何出现催化效率和多样化的选择压力？为何会出现遗传信息呢？另外，有研究显示，一些氨基酸与它们相对应的密码子有选择性的化学结合力，这显示现在复杂的蛋白质制造过程可能并非一早存在，最初的蛋白质可能是直接在核酸上形成（Knight & Landweber 1998）。 不分先后论德国化学家和生物物理学家、诺贝尔化学奖得主艾根（ManfredEigen）在
11、“The Hypercycle： A principle of naturalself-organization”一书中指出，在生物信息起源上的这种“在先”，不是指时间顺序，而是指因果关系，这里有一种双向的因果关系，或者说是一种互为因果的封闭圈。核酸和蛋白质的相互作用，相当于“封闭圈”即“循环”的一个复杂的等级组织。从反应循环，到催化循环，再到超循环就构成了一个从低级到高级的循环组织（Eigen and Schuster， 1979；中译本：艾根和舒斯特1990）。这个所谓的超循环理论是独创的还是模仿的呢？首先，古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）曾对循环给予了精辟的阐述，他在论生成与
12、消灭中说，“如果事物的生存是必然的，它的生存就是永恒的，而如果是永恒的，也就是必然的。因此，如果某物的生存是纯粹必然的，它就必定是循环的，即返回自身。因为生成必然要么有限度，要么无限度；如果无限度，它必定要么是直线式，要么是圆圈式。但是，如果生成是永恒的，就不可能是直线式，因为它没有开端，无论我们向下考虑（当作将发生的事）还是向上追溯（当作已出现过的事）。但生成必然有开端，虽然不是有限的，而是永恒的。因此它必然是圆圈式正是圆圈式的运动和生成中，才有纯粹的必然，也就是说，如果过程是圆圈式，其中的每一个环节必然会生成或已经生成，如果过程是必然的，它们的生成就是圆圈式”（亚里士多德1991）。Ari
13、stotle（约公元前384年-公元前322年）德国哲学家黑格尔（1770年-1831年）曾论述过认识的无限循环过程，他在逻辑学一书中在解释哲学开端时指出，“开端的规定性，是一般直接的和抽象的东西，它的这种片面性，由于前进而失去了；开端将成为有中介的东西，于是科学向前运动的路线，便因此而成为了一个圆圈那个造成开端的东西，因为它在那里还是未发展的、无内容的东西，在开端中将不会被真正认识到，只有在完全发展了的科学中，才有对它的完成了的、有内容的认识，并且那才是真正有了根据的认识”（黑格尔1922）。在这里，黑格尔似乎是借用了赫拉克利特关于“在圆周上，起点和终点是同一的”的说法，并将其引申到了认识过
14、程。此外，黑格尔在他的自然哲学一书中指出：“个体性把自身规定为特殊性或有限性，而又否定这种有限性，并向自身回归，在过程的终点使自己恢复为开端，这是一个无限的过程”（黑格尔1986）。德国哲学家康德（KantI，1724年-1804年）在1790年出版的专着判断力批判中指出，“是自然目的的东西就是有机体”，而“如果一个事物同时是原因而又是它自己的结果（即令是在双重的意义上），它就是作为一种自然目的的”。以笔者之见，艾根对所谓“超循环”的描述真切地混杂了亚里士多德、黑格尔和康德的思想，说模仿了哲学家的口吻一点都不为过，当然身为德国科学家接受过自己祖国的伟大哲学家的思想熏陶也不奇怪。艾根试图借用哲学
15、家的智慧来揭示一个世纪难题，但遗憾的是，他的整合只是个半吊子！他牵强地将这一问题与细胞内的各种循环扯上了关系，认为他的超循环具备内在的整合信息能力。但问题是，这种整合的动因到底是什么呢？3. 先有复制（基因）还是先有代谢？复制优先论者认为，核酶及其互补链可以自我复制并通过突变产生新的代谢反应，而相比之下，代谢似乎并不具备进化的能力，代谢循环中的要素是否能够自我组织是值得怀疑的，而自动催化循环通常都有内在的困难，因此，由于代谢自行进化的这些问题，复制应该在代谢之前（Orgel 2000，2008，王子晖2011a）。但是，威廉斯（2001）认为，“DNA分子的极端特化迫使我们认为核基因是一个后来
16、发展的产物。早期遗传系统的建立也是极不可能的”。代谢优先论者则认为，一套燃烧热很低的小分子水溶性有机物就构成了三羧酸（TCA）循环中所有的有机酸，这个发现非常有启发性，它意味着这些有机酸可能自发组织行成了还原性的TCA循环。这样，前生物进化的第一步就可能是通过分子间的联系进行的。相反，若RNA复制子随机产生序列，那么这些序列可能没有一点用处（Morowitz et al. 2000，王子晖2011a）。Robinson（2005）评价道，“这两个模型通常被称为基因优先论和代谢优先论都仍有显着的问题，并且没有哪一个是完善或具有明显优势”。王子晖（2011a）指出，“若代谢不能有效引导复制，复制又不能有效引导代谢，那么这个两难处境将只能有一
