揭开遗传密码子的起源之谜 ATP中心假说

邓文龙

揭开遗传密码子的起源之谜  

2015-10-9 06:29

科学网  博文

谢平

系统分类:科普集锦|关键词:遗传密码子的起源，凝固事件假说，立体化学假说，共进化假说，综合进化假说，光合作用介导的ATP中心假说，Cracking mystery of genetic codes，The photosynthesis-mediated and ATP-centric hypothsis

大自然将奥秘或法则隐匿于一套密码之中，籍此创作出数以千万计的物种，之后又将其销毁，终而复始，生生不息……虽然遗传密码子的破译已过去了半个多世纪，但对它的起源人们依然一无所知，有人甚至宣称这是不可知的（unknowable），另一些人则认为它源自外来的设计（external design）。生命/遗传密码子的起源被誉为现代生命科学的最大谜团之一，但它却关乎人们对生命本质与演化的认知。如何才能揭开这一世纪之谜……

一、生命=物质（质量+能量）+信息

生命具有十分杂遝的表象，其生化系统也是极为复杂。它历经了数十亿年的演化之旅，从简单的细菌、虫草扬升到具有复杂精神与情感的人类。撇开纷繁的衍生之物，生命的本质其实十分简洁：生命=物质（质量+能量）+信息。

1. 生命——既是物质，亦超越物质
宇宙中的万物（物质）都是质量和能量的复合体，生命亦如此，只是还有另一种特性——信息，也就是说，生命=质量+能量+信息。生命既然是物质的，它就必须遵循物质世界的基本规律——质量守恒，能量亦如此。当然，在特殊情况下，质量和能量之间亦可相互转化。生命既是物质，亦超越物质，因为它开始产生与累积信息。

化学在分子和原子的层次上研究物质的组成、结构和性质以及它们的变化规律，细分为无机化学、有机化学、物理化学、分析化学和生物化学等。而专门以生物为对象的化学称之为生物化学，它研究生命的物质组成、生物分子的结构、功能及其变化（代谢）。

在生物化学中有两个重要领域——生物能量学和生物信息学，前者讨论与能量有关的各种代谢过程，后者关注信息大分子的结构、功能和复制等问题。但是，它们的共同之处都是只关注运作/工作机制，而不管它们是如何起源的。知道一件事的工作原理并不意味着就能知道其来源，这在生命科学中司空见惯。

2. 生命——物理化学过程的产物
生命的起源可归结于细胞的起源，那细胞是如何起源的呢？细胞被双分子层磷脂组成的薄膜所包裹（图1）。地球上的生命不可能源于某种预先的设计，它必定是物质世界之物理化学过程的产物。因此，自发生成的脂质囊泡（这是脂类在水溶液中的一种自然特性）及其所随机包裹的生命构件应该就是生命演化的始点。原始地球上必定存在了基本的化学构件（如ATP这样的核苷酸、氨基酸、脂肪酸、糖类等），否则就会掉进设计论的陷阱（谢平2014）。



图1 细胞膜的结构（引自互动百科）

脂类与蛋白质通道的耦联使细胞膜具备了对物质的选择通透性，便于对物质交流的管控。在悬浮于水溶液的这种膜结构中，太阳光能反复的随机性刺激，驱动了这种个性化结构中电子与质子的流动，拉开了元素重组的大幕，由于这种膜结构对物质进出的非均衡性影响，容易导致大分子有机物质的积累与囊泡破裂，逐渐推动细胞分裂机制的形成、细胞内化学反应的秩序化与信息化，发展出个体性稳定传递的机制（即遗传），并最终迎来了具有现代生命特征的活细胞的降临。简而言之，生命始于水环境中光能驱动下的物质转换，即伴随着电子和质子流动的元素重组。太阳光能为地球上生命的起源、运动与发展提供了根本动力。

液态水肯定是生命演化的必须条件，首先，从地球以外的其它行星的情况来看，没有液态水，也未见生命存在的迹象。此外，水也是地球上生命的主要组分，地球上没水的地方，生命亦不会存在。生物体内的生化反应均需以水为媒介。当然，由于缺少化石证据，人们现在还不清楚最初的生命在何时、何地以及如何出现的，甚至无法确认到底生命起源于海洋还是淡水。

太阳系中的地球可谓得天独厚，它坐拥大量的液态水，而且这些水在固—液—气态之间不停地循环。这可能得益于地球在太阳系中占据了幸运的位置——如果离太阳太近的话，水将蒸发殆尽，如果太远的话，水只能以冰的形式存在。

从化学上来看，生命的成功就在于它在液态水环境中发展出了将太阳光能转化为化学能的机构，核心之处就在于它构建了一个以ATP（三磷酸腺苷，图2）为化学能载体的细胞生化代谢体系。但是ATP并不是太阳光能的直接产物：其生成需要质子（H+）的跨膜梯度，因此，需要具有相对封闭性的像脂质囊泡这样的结构。



图2 三磷酸腺苷（ATP）的结构，通过磷酸酐键的断裂移去ATP末端的磷酸基团将释放高的能量，这在细胞中与许多吸能反应相耦联（如粉色区域所示）（引自Nelson & Cox 2004）

利用跨膜H+梯度，将ADP和Pi成功地合成ATP，这可能是地球生命史上的一个重要事件。ADP和ATP应该是地球早期存在的生命构件，而ATP合成酶（ATPase）是后来演化的产物。形象地说，ATP-ADP就似一个微电池，ATP放电变成ADP，而ATPase似一个充电器，其电能则来自跨膜的H+梯度。大量的H+恰好是太阳光能裂解水的产物，同时，裂解水产生的电子也需要进行跨膜传递，这是借助一系列电子载体来实现的，即所谓的电子传递链（图3）。



图3 在内囊体膜上，与光合作用耦联的ATP合成示意图（引自Taiz and Zeiger 2010）

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