RNA世界學說

RNA世界學說（英語：RNA world hypothesis）是一個關於生命起源的理論，認為地球上早期的生命分子以RNA先出現，之後才是DNA。且這些早期的RNA分子同時擁有如同DNA的遺傳訊息儲存功能，以及如蛋白質般的催化能力，支持了早期的細胞或前細胞生命的運作。

基本介紹

• 中文名：RNA世界學說
• 外文名：RNA world hypothesis
• 提出者：沃特·吉爾伯特
• 內容：生命分子以RNA先出現之後才是DNA

RNA世界假說的提出

關於獨立的RNA生命型態概念，是在1968年由卡爾·沃斯（Carl Woese）所著的《遺傳密碼》（The Genetic Code）一書中所建立。此外亞歷山大·里奇（Alexander Rich）也曾於1963年提出類似想法。“RNA世界”一詞則是由諾貝爾獎得主沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）於1986年提出，是依據現今RNA具有各種不同型態的催化性質所做的推論。

生物學家沃特·吉爾伯特。

所謂的“RNA世界”學說與以下兩個假設有關：①RNA是地球早期的生命形式唯一使用的具有遺傳編碼性質的生物催化劑，②RNA作為自身遺傳編碼分子的生命形式就是地球上最早出現的第一種生命形式，也是能夠對達爾文進化論提供支持的第一種化學體系。第二個假設所需要的證據是，RNA的生命屬性是直接從無生命的物質中演變而來的，這一過程要早於所有生命形式的出現。

一個假想的“RNA世界”情景如下：①從原始大氣成分形成包括核苷酸的前生物湯,機緣地產生了具有隨機序列的短鏈RNA分子→②一些RNA片段碰巧獲得了能催化自身複製的功能（稱為自複製RNA），就獲得了選擇的機會，即自我複製效率最高的核苷酸就會獲得更多延續下去的機會，反之就被淘汰了→③進一步，自複製RNA的突變體還獲得了催化胺基酸縮合成肽的能力,之後，形成的肽類偶然又反過來強化了RNA的自複製能力，這樣，RNA分子和協助的肽類開始協同演化，不斷產生出更有效的複製系統→④原始的轉錄系統不斷發展，並伴隨著RNA基因組和RNA—蛋白催化功能的發展, ⑤RNA基因組開始拷貝到DNA上,DNA基因組不斷發展，並在蛋白的催化下，轉錄到RNA-蛋白複合體（內質網）上（圖1）。

圖1 一個假想的RNA世界的起源模式

總的來說，在這種原始的蛋白合成系統中，與自複製RNA互補的DNA分子承擔下保存“遺傳”信息的功能，RNA分子逐漸向擔負蛋白質翻譯與合成功能的方向演化，而蛋白質則變成了生化反應的催化能手。最後，原始湯中類似於脂類一樣的物質圍繞自複製分子的聚集體形成相對不通透的分子層，而這些脂質隔室中的蛋白和核酸的濃度更有利於自複製分子間的相互作用。

支持RNA世界學說的觀點

Cech列舉了支持RNA世界學說的六個方面的原因：①RNA既是信息分子又是生物催化劑—既是基因型又是表型—而蛋白質傳導信息的能力極為有限，因此，RNA應該能進行自我複製，而事實上RNA也確實能完成為了RNA複製所需要的某種化學過程，②從同時在同一地點進行隨機化學反應的角度來看，構想一個能自我複製的單一分子類型比構想兩種不同的分子（譬如一個核酸和一個能複製該核酸的蛋白質）要更為合理，③在所有現存的生物中，核糖體利用RNA的催化作用完成蛋白質合成的關鍵生化過程，因此在所有現存物種的共同祖先（the Last Universal Common Ancestor，LUCA）那裡也必定如此，④RNA的其它催化活動—在一個RNA世界中RNA所需要的但在現代的RNA中沒有被發現的—一般也在RNA序列的大的組合文庫（large combinatorial libraries）中存在了，能通過SELEX的篩選方法來確認，⑤RNA明顯先於DNA，因為RNA的核苷酸前體的生物合成需要多種酶的催化，而脫氧核苷酸的生物合成衍生自核苷酸的生物合成，僅添加了兩個額外的酶促反應步驟（胸苷酸合成酶和核苷酸還原酶），⑥一個原始的RNA世界具有出色的特徵連續性，它能通過先前的事件進化到現在的生命之中。但是，Cech承認並不清楚一個基於完全不相關的化學過程的自複製系統是如何被RNA所取代的。

Cech描繪了一個假想的RNA世界模型（圖2），許多被隔離開來的複雜有機分子的混合物沒能獲得自複製，因此消亡了（如虛線所示），而通向自複製RNA的路線作為現代的祖先而被保存下來，在自複製RNA左邊的數個箭頭表示RNA之前可能存在過的自複製系統。大到可以摺疊並具有有用功能的蛋白質只有在RNA能夠催化肽類片段連線或胺基酸聚合才開始出現，雖然胺基酸和短肽在最左邊的混合物中就存在了。DNA擔負起基因組功能是更加後期的事情，雖然仍然大於10億年前。現存物種的共同祖先已經具有了一個DNA基因組，能夠利用蛋白酶以及核糖核蛋白酶（譬如核糖體）和核酶來進行生物催化。

圖2 一個RNA世界模型

Benner等指出，“在今天的地球上，假如真有一些來自現代生命的生物催化劑，RNA就是其中具有指導自身複製功能的一種獨特催化劑……RNA的這種獨特功能使得有機化學體系成為達爾文進化理論的有力支持者，這是目前化學領域中唯一已知的天然產物產生功能行為的化學過程。只有一種另類分子—DNA，具有相似的特殊性”。

反對RNA世界學說的觀點

為何在地球生命演化的一開始就出現了這種複雜而神奇的RNA分子？莫非是神造的分子？當然，RNA世界假說根本無法說明細胞是如何得以產生的。不少學者堅決反對RNA世界假說。譬如，雅荷雅就無情地抨擊道，“在每一個環節上拼湊起來的、不可能的連結，即這個不可信的假想，對生命的起源遠遠沒有做出解釋，只是擴大了這一問題，並引出許多沒有答案的問題”。其實，在關於生命起源的太多環節上依靠主觀臆想的情節拼接是不可避免的事實，不光RNA世界學說，其它學說也大抵如此，沒有人能發現比這更幸運的方式。

紐約大學的化學家夏皮羅（Robert H. Shapiro，1935年－2004年）曾說：“根據化學運作原理，要形成這樣一種分子絕不可能。在這個領域裡，這是不可能的事。要接受這個觀點，除非你相信我們有難以置信的幸運。Horgan問道，“RNA最初是怎樣出現的？RNA及其成分難以在實驗室最好的條件下合成，它在真正的似是而非的條件下更難合成了”。

雅荷雅質問道，“即使我們假設它是偶然形成的，那僅僅由核苷鏈組成的RNA，又如何‘決定’自我複製，並根據哪一種來實現自我複製呢？又從哪裡獲得自我複製時所需的核苷呢？”。筆者喜歡雅荷雅的質疑方式，但不喜歡他把問題引向“真主”！Joyce和Orgel說，“從某種意義上來講，這一討論集中到稻草人上了：RNA分子自我複製的神話—重新從隨意的、多聚核苷酸湯引發的神話。這個概念不僅不切合目前我們所理解的生命起源以前的化學概念，同時也損傷了RNA通過自我複製而成為分子的樂觀派的觀點”。

法國生物化學家、諾貝爾生理學或醫學獎得主莫諾指出，“如果不翻譯，密碼（DNA和RNA的信息）就毫無意義。現代細胞密碼翻譯器，至少由50個大分子組成，且在DNA中自我編碼：密碼不能翻譯，而靠產品自己的翻譯。這種循環何時、以何種方式才會密切起來？這是極難想像的”。因此，雅荷雅進一步質疑道，“在原始地球上，RNA鏈怎能做出決定，並用何種方法來‘製造’蛋白產品—自己替代50種專門粒子的功能？進化論者對此無言以答”。

丹麥生物化學家Monnard PA認為，“人們依然可以質疑，要產生一個RNA世界，RNA本身是否足夠？……我們所知的生命提示，從很早開始就有了獨立的代謝結構，這對創造基於RNA的前細胞是必須的，僅僅由於兩者的同時出現和相互反饋調節才使得它們存活了下來……可能曾經存在一種基於自我裝配網路的系統，具有相互聯繫的催化作用，而沒有RNA或其替代物介入，它可能起始了一系列的進化步驟，帶來生命的產生。儘管如此，這個代謝世界的進化最終一定會產生一個遺傳信息或催化-多聚物系統”。這是一種代謝在先的思想，但是，如果沒有領悟生命演化之合理目的性，Monnard也不可能邁入正確之道。

現代生命中的DNA—RNA—蛋白質已經形成了一個相互依存、無法撕裂的圓圈，使人們難以甄別誰才是演化的起點。一些人認為RNA才是生命的開端，也即這個圓圈的起點。但是，許多疑問依舊存在。第一，誰會相信在地球生命演化的一開始，就會出現複雜而神奇的RNA分子呢？除非那就是哈榮·雅荷雅所說的神造的分子了！第二，RNA世界假說依然無法說明細胞是如何產生的，而只有細胞（或前細胞）才是真真意義上的生命！第三，為何同時具備信息與催化功能才可作為生命的開端，其依據何在呢？ 第四，生物個體是達爾文選擇的基本單位，那對大分子來說，什麼才是選擇的方向性呢？第五，雖然生命的起源充滿隨機性，但不能沒有方向性,必須受到目的性或動因的牽引。那什麼才是生命起源最原始的動因呢？