RNA：生命的起源

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。今天我们继续讲自我复制。

上一讲，我抛出了生命自我复制的两个难题。让人高兴的是，核酶的发现给出了一个一石二鸟的答案：它既能记录遗传信息，又能催化生物化学反应。

今天，我想带你走进切赫的研究当中，看看RNA核酶到底是怎么被发现的，也看看RNA这种今天看起来有点儿多余的分子，和生命的起源有何关系。

一场失败的RNA剪接实验

我们先来回忆一下切赫关心的事情——RNA剪接。

简单来说，就是当RNA分子被生产出来之后，RNA需要把自己链条上多余的部分剪掉，才能去指导生产蛋白质。

打个比方，如果把DNA和RNA比喻成记录遗传信息的密码本，那RNA剪接这一步就相当于撕去密码本中间多余的纸张。这个过程非常重要，所以切赫想彻底搞清楚它是怎么发生的。

为了开展研究，切赫选取的研究对象是嗜热四膜虫。这是一种在淡水里分布广泛的单细胞生物，很容易大量培养。而且它个头很大，也很方便进行各种显微操作和化学提纯。

嗜热四膜虫

和很多同行一样，切赫刚开始也假设，肯定是某些蛋白质分子帮助RNA剪开和连接。

这个假设合情合理，蛋白质分子是最适合的角色了。从合成ATP到帮助DNA复制，蛋白质分子确实广泛推动了生命体内的各种生物化学反应。

那要怎么找出这个蛋白质呢？切赫使用了最经典的化学提纯方法。

他先从大批四膜虫样本里提纯一批没有被切割的、完整的RNA分子，再同步提纯了一大批蛋白质混合物。

那么，如果这两个东西混在一起，负责剪接的蛋白质找到目标RNA，RNA分子就应该会被切断和缝合，剪接步骤就完成了。

然后呢，在切赫的设想里，为了找出具体是哪个蛋白质分子执行了这个步骤，他可以把蛋白质混合物一步一步地分离、一点点提纯，排除掉那些对RNA剪接没有影响的蛋白质，最终留下的，应该就是他们要找的那个蛋白质了。

这整个过程听起来有点儿像炼丹。古时候的炼丹术士，也不知道把什么化学物质放一起煮一煮、晒一晒就能炼出丹，所以他们只能盲目地拿各种各样的化学物质，天然的或者人工的放在一起做各种实验。一旦发现哪个配方放一起就能练出丹，之后就总是按照配方来就行了。

但是，让人匪夷所思的是，切赫的实验几乎是一开始就失败了。

他发现从细胞里提出来的RNA，就算什么蛋白质都不加，也会发生剪接反应。也就是说，他后面计划的分离提纯的步骤根本进行不下去。

切赫的第一反应是：RNA样品是不是被污染了？如果把RNA清洗得更干净是不是就行了？

但是，他们忙活了几年之后，什么结果都没有。到了1982年，他们放弃了对RNA分子进行提纯的想法，而是打算直接在试管里合成一条新的RNA分子，这样肯定就是纯净的RNA。

没想到的是，这条理论上不可能被蛋白质污染的RNA，竟然也实现了自我剪接。

故事说到这里，不知道你猜出原因了没有。原来，根本没有蛋白质在偷偷地剪接RNA，剪断和粘合RNA的就是RNA自己。

我想强调一下，切赫的这个发现看起来没什么，但是意义非常重大。因为它说明了，这个RNA分子能同时做DNA和蛋白质两份工作。

它一方面，能像DNA一样存储遗传信息，另一方面，能像蛋白质一样催化生物化学反应。

说到这儿，可能你会觉得信息量有点大了。没关系，我们稍微脱离这些技术细节，来看看这个发现意味着什么。

它其实提示了一种可能性：在逻辑上，RNA分子可以同时替代DNA和蛋白质。它可以既扮演DNA这个“鸡”的角色，又扮演蛋白质这个“蛋”的角色，既是鸡又是蛋。

既是鸡又是蛋的RNA

那么，我们能不能继续设想：这种猜想会不会成为现实呢？有没有可能存在一种RNA分子，在没有DNA，也没有蛋白质的时候，仍然能同时记录遗传信息，并且实现自我复制呢？

当然了，这个脑洞的逻辑跨度其实挺大的。技术上想要实现并没有那么简单。

切赫发现的核酶确实实现了一点蛋白质的功能，就是剪接。但这个功能本身还是非常简单的，它只是给RNA做个“砍头接脚”的外科手术而已。

如果真的要设想出一种核酶，能够实现自我复制的功能，它必须能够以自身为样本，从头到尾，一个碱基接一个碱基，精确地组装出一条全新的RNA链条来。

这个难度比起RNA剪接，简直是汽车流水线和榔头剪刀的差别。

而且，我还要泼一盆冷水。刚才咱们说的这个既是鸡又是蛋，能记录遗传信息，也能自我复制的RNA，直到今天，也仅仅是在逻辑上存在，还没有真正被证实。

因为到今天为止，还没有人在自然界发现过能够完整复制自身的RNA分子。但是，虽然在自然界找不到这样的例子，在实验室里却有了重大突破。

2013年，英国剑桥大学的科学家，人工设计出了能够复制自身的RNA分子。在此之后，人类设计制造的RNA分子，已经可以在能量的帮助下，完成非常高速和准确的自我复制了。

最新的tC9Y核酶可以复制超过合成长度的RNA序列，至少在理论上，tC9Y已经具备了自我复制的能力

所以，总结一下：不管是从逻辑上还是技术上，一个同时当鸡和蛋，能够自我复制的RNA都是可以成立的。

这个结论就重要了，这意味着什么呢？

你可能还记得，在本课开始的米勒实验中，我们就讨论过一个逻辑：

如果人类科学家能在小范围、短时间的实验室研究里，制造出生命物质，比如氨基酸，那么我们就有理由相信，无比浩瀚的地球海洋在漫长的演化时间里，会自发地准备好所有的生命物质。

以此类推，既然人类科学家能在实验室里，创造出可以完整复制自身的RNA分子，那我们当然也有理由相信：在远古地球的环境中，可能确实出现过这种既能存储遗传信息，又能完整复制自身的RNA分子，它们有可能是生命的最初形态。

正是基于这样的逻辑推演，在上世纪80年代末，著名的RNA世界理论被正式提出。这可能是最接近真相，也最能帮助我们理解生命起源的理论了。

这个理论的核心是：RNA这种生物大分子，既能够存储遗传信息，又可以实现蛋白质的功能。因此，可能是它推动了最早出现的生命活动。

你可以这样想象一下：在数十亿年前的海洋里，在不知道具体是什么环境里，数不清的RNA分子被随机地生产出来，然后默默地飘散、分解。

直到有一天，在这无数的RNA分子中，有一种特殊组合，恰好产生了能够自我复制的能力。于是它苏醒了，活动了，无数的“后代”被制造出来了。这种自我复制的化学反应可能就代表了生命的最初形态。

后来呢，在漫长的演化之后，RNA分子的这两个功能分别被DNA和蛋白质取代了。仔细想想，其实也合情合理。

一方面呢，作为信息载体，RNA没有DNA优越。因为DNA化学上更稳定，复制的时候出差错的可能性也更小。

而另一方面呢，作为生物化学反应的推动者，RNA又没有蛋白质优越。后者结构上的多样性更多，能够催化的生物化学反应显然也更多样、更精细。

所以慢慢的，曾经站在生命舞台中心的RNA分子就退居二线了，仅仅成了DNA和蛋白质之间，一个看起来可有可无的中间环节。

它的存在似乎还在不停地告诉我们所有人：我曾经非常重要，我曾经是地球生命的一切。

总结一下，我们今天讲了RNA核酶被发现的故事，以及最接近真相的生命起源理论——RNA世界理论。

必须得说，虽然RNA在今天的地球生命体内已经退居二线了，但是有一些看起来不起眼的生命，仍然把RNA当成它们最宝贵的遗传物质。它们是谁？为什么选择RNA而不是DNA作为遗传物质呢？

在下一讲，我会和你一起挖掘一下RNA留给今天地球生命的隐秘故事。下一讲见。

在数十亿年前的海洋里，一种特殊的RNA组合恰好产生了自我复制的能力。于是它苏醒了，活动了，无数的“后代”被制造出来。也许，这就是生命的最初形态。