自我复制的降维打击

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

上节课你知道了自我复制，或者说繁衍，是比永生更重要的事情。因为有了自我复制，生命才能过五关斩六将，战胜意外，适应变化，存活到今天。那么，自我复制这么重要的事到底是怎么实现的呢？今天，我就带你来看看自我复制的机制。

蛋白质无法独立自我复制

今天这节课可能有点烧脑，希望你能紧跟我的思路。首先，我们来做一个思维体操，在纸面上构造一个极端简化的生命，探讨一下生命自我复制的原理。

这个最简单的生命，应该就是一个蛋白质分子，我们可以给它取名叫生命1.0。

从前面的故事里你可以很容易地想象，最有资格入选的蛋白质大概就是ATP合成酶，因为它是为生命制造能量货币的。有了它，生命就可以制造ATP分子，然后用ATP来驱动各种生命活动了。

但是问题来了：生命1.0——也就是ATP合成酶——几乎不可能实现自我复制。

为什么呢？因为这个古老的蛋白质虽然尺寸很小，只有几个纳米大，但是，它却蜷曲折叠成了一个空间结构非常复杂，带有三个叶片、一个管道的精细三维结构。在氢离子的推动下，这个微型发电机的叶片还可以旋转不停，产生ATP分子。

ATP合成酶工作原理示意图

这个机器里每一个原子排列的精确度需要达到零点几个纳米的水平。空间位置稍微错一点，化学性质改变一点，它就没法工作了。而且它工作的时间精度也非常高，每一秒钟可以旋转上百次。

所以你可以想象，要想完美复制这个三维分子机器，对时空精度的要求都是非常苛刻的。

其实，别说复制起来困难，就算要看得清楚一些都不容易。举个例子：

在上世纪90年代，英国科学家约翰·沃克（John Ernest Walker）利用x射线衍射的方法，看清了这个蛋白质的三维晶体结构，他在三年之后就靠这个发现获得了诺贝尔奖。你可以想象，这是一个多么微小而精密的生命构件。

ATP合成酶晶体结构

所以，从逻辑上说，生命体需要一种办法，能更简单，但是也更精确地记录和复制自身。

最好不要让我们瞪大眼睛去记录和复制一个超级复杂的三维结构，而且还得记录它在每个时刻下，每一点的空间信息。这样太繁琐，也太容易出错了。

其实，我们可以回头来想想ATP合成酶的构造，看看会不会有启发。

这个分子机器是由许多个蛋白质零件拼装起来的，加起来一共需要五千多个氨基酸分子，按照某种特定的顺序组装。当然，这个组装步骤不需要人类或者外部力量的参与。在三维空间中，这些氨基酸彼此吸引、排斥、碰撞、结合，能够自己形成复杂、动态的三维结构。

ATP合成酶的蛋白质分子尺度图

DNA的降维打击和两个优势

那么，到底怎样才能设计一个简单的方法，把这五千多个氨基酸的先后顺序和位置忠实地记录和复制下来呢？

不得不说，地球生命想到了一个非常巧妙的方法。我可以套用一个流行的科幻名词——降维打击——来解释这件事。

这个概念最早来自刘慈欣的科幻小说《三体-死神永生》。简单来说，就是生命简化了记录和复制的难度，把立体的、三维空间里的蛋白质信息，记录在了线性的、一维的DNA分子上面。

那这个过程具体是怎么实现的呢？

这就要说到DNA这种物质的奇妙特性了。DNA你必然听说过，它的中文全称叫脱氧核糖核酸。几乎每个地球生命都依赖DNA存储自身的遗传信息，用来指导生命活动，实现自我复制。

和蛋白质一样，DNA也是尺寸很大的生命物质。但它和蛋白质不一样的地方是，蛋白质在空间尺度上非常复杂，在时间尺度上又瞬息万变。

而DNA化学性质很简单，并且是一维的，也就是线性的，因此它进行信息存储和复制的过程就要比蛋白质简单得多。

为什么这么说呢？我们先来看看DNA长什么样。

DNA上的碱基对组合

DNA的化学构造比蛋白质简单。我们说过，蛋白质分子可以看成是20种氨基酸分子按照特定的顺序首尾相连先形成链条，然后这根链条、或者几根链条在一起缠绕、折叠、扭曲，形成一个有立体形状的蛋白质分子机器，而这台分子机器如何工作，完全取决于这个三维形态的细节构造。

而DNA呢？它是由4种碱基分子构成的链条。顺便说一句，这4种碱基的名字你在中学生物课肯定也学过：腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。具体的名字你不用记，用A、G、T、C这4个英文字母来代表就行。

那为什么说DNA是一维线性的呢？在生物体内部，DNA分子当然也是有三维结构的，也是会经常发生空间结构的变化的。

但是和蛋白质不一样的是，不管空间结构怎么变化，DNA分子上面所携带的信息是恒定不变的——永远都是按照3个相邻的碱基，对应1个氨基酸的方式，来记录蛋白质分子里面氨基酸的先后顺序。

DNA链上的3个相邻碱基对应1个氨基酸

打个比方：

• 如果3个相邻的碱基是ATG，对应的就是一个蛋氨酸；
• 如果是AAG，那对应的就是赖氨酸；
• 如果是6个碱基，ATGAAG连起来，对应的就是一个蛋氨酸，后面连一个赖氨酸。

就这么简单。

不管这一段DNA分子是扭曲还是拉直，是在活动还是锁死，碱基分子之间的先后顺序是不会发生变化的，永远都是ATGAAG。所以，它所携带的信息也是不会变化的，对应的永远就是这两个氨基酸连在一起。

这就像是你抄写一篇文章，不管你是钢笔抄还是铅笔抄，是横着写还是竖着写，是顺着抄还是倒着抄，单从信息复制和传递的角度，你做的事情是完全一样的。

这样一来，任何一个三维空间里复杂的蛋白质分子，它的全部信息，也就是它所有氨基酸分子的排列顺序，都可以被记录在一条一维线性的DNA分子长链上。

那为什么复制一根一维线性的分子，比复制三维分子机器要容易得多呢？

如果你还有点迷糊，我就再打一个比方：

• 想要精细地复制一个蛋白质，就像是给你一个机器，让你反向工程。先把机器里面每一个细节都搞清楚，然后再从无到有地制造出一个完全一样的机器，困难程度可想而知。

但是复制DNA就像是给你一本机器的制造手册，只要你每个字符都抄对，手册里的信息就是完好无损的，这当然就简单多了。

这就是我所说的降维打击的概念。有了这个概念，我们就可以设计出生命的2.0版本。

在这个版本里，除了执行具体生命活动任务的蛋白质分子机器，还有一套忠实记录这些分子机器制造信息的DNA分子。

在生命2.0需要自我复制的时候，它就不需要去操心三维尺度的复制问题了，它只需要复制一维尺度的DNA分子就可以了，所有的遗传信息都在DNA分子上。

生命完成自我复制以后，在它的子孙后代的身体里，这条DNA分子就可以按照3个碱基对应1个氨基酸的规则，重新制造蛋白质分子机器，新的生命就可以照常运转了。

其实，DNA分子作为遗传信息的载体，不光能够实现降维打击，而且还有两个别的好处。

首先是精确性。DNA复制的时候，精度是非常高的，高到复制10亿次才会出错1次。这就保证了遗传信息能够很牢靠地代代相传。而偶然出现的错误呢，恰好又能给生物的变异和适应环境提供可能性。

其次它很节约，DNA存储信息的效率是非常高的。我提到过，DNA记录信息的方法是3个碱基对应1个氨基酸。你可能会觉得奇怪，为什么一定是3个碱基，不是2个碱基或者4个碱基呢？这里面的道理非常有意思。

刚才我说过，碱基分子一共是4种，而氨基酸分子一共是20种。我们可以计算一下怎么编码效率最高：

• 首先1个碱基对应1个氨基酸是不够用的，因为这样一来，4个碱基就只够代表4种氨基酸；
• 2个碱基对应1个氨基酸也不够，因为两个碱基的排列，一共只有4的2次方，也就是16种组合，还不够20；
• 而3个碱基对应一个氨基酸就绰绰有余了——3个碱基可以产生4的3次方，一共64种组合，要比氨基酸的数量大，还提供了一点冗余度；
• 而如果再往下计算，要是4个碱基对应1个氨基酸，那么就会产生4的4次方，一共256种组合，这就比氨基酸的数量大了一个数量级，显然是一种浪费。

所以，地球生命在用DNA分子记录生物遗传信息的时候，使用的编码原则是恰好够用，但是又不浪费。

实际上今天也确实有人在试图研究如何用DNA分子来记录人类世界的海量信息，这个方法的存储效率比硬盘和U盘都要高不少。

总结一下，生命用了一个非常巧妙的方法解决了自我复制的难题，我形象地把它称作DNA的降维打击。在我看来，这是生命繁衍最精妙的秘密，也是关于生命最值得收藏的秘密。欢迎你把这一讲分享给和你一样热爱生命的朋友们。

那么接下来，DNA分子在技术层面是怎么完成复制的？特别是在地球生命出现的早期，生命形式肯定非常简单，但是遗传信息复制是个非常精密、复杂的任务，我们的祖先们是怎么做到的呢？

下节课，我会展开探讨这个看起来不可能完成的任务。

DNA的降维打击

一维的DNA分子，记录三维的蛋白质信息，大大简化了遗传信息记录和复制的难度。这就是关于生命最值得收藏的秘密。