生命的起源：长链状分子的自我复制方式

催化剂在化学反应中普遍存在。事实上，我们完全可以说任何化学反应都可以用合适的物质来催化。在生物系统中，催化剂起到了重要的作用，这些催化剂也称作酶。如果没有合适的酶，大多数生物体中的反应将会进行得十分缓慢，甚至完全不会发生。正常情况下，一个反应的产物和催化剂是不同的物质。在前面的例子中，氢气和氧气反应可以产生水，那么这个反应的产物是水，而催化剂是金属或金属化合物。不过，试想一下一个反应的产物和催化剂是同一种物质的情况，那么产物将同时催化其自身的生成。这样的反应被称作自催化反应，这名称的含义显而易见，它指的是催化剂能催化其自身生成，而不是使其他物质生成的反应。乍一看，催化和自催化好像并没有太大的差别。但是，我们只要对比一下两种反应的速率，就会明白这样的第一印象实在是大错特错。如果我们分别让这两个反应发生，并在反应开始时提供1分子的催化剂（或自催化剂），那么通过简单的计算我们就可以知道两个反应生成少量的产物（比如说100克）所需的时间，这两者所需的时间有相当大的差距。对于需要催化剂的反应而言，所需的时间要以百万年计。而对于自催化反应而言，则仅需要1秒的一小部分就能完成！这两个看上去差不多的反应过程实际上天差地别（这里需要说明的一点是，在这个例子中两个反应所需时间的数据差别很大，因为反应起始的反应物只有1个分子，不过即便我们增大反应物的量，二者之间的差别依然十分明显）。请先容我提前表达一个观点——生命的本质就在于催化反应和自催化反应之间的巨大差别。不过，我们要阐明这个观点还需要进行更深入的讨论。

我们该如何解释催化反应和自催化反应在反应速率方面的巨大差异呢？简单来说，这就是指数的力量。之所以两个反应的速率会有这么大的差异，是因为在自催化反应中，产物形成的速率呈指数型增长——在一般的催化反应中，产物形成的速率呈线性增长，这两种增长模式之间存在着巨大的差异。如果这样的描述听上去太数学化了，那么让我们用一个经典的传说来讲解一下。传说在古代有一位中国皇帝在战争中被一位农夫救下，皇帝问农夫想要什么奖赏，农夫拿出了一个棋盘，说他希望皇帝能按照以下的方式赏赐给他一定数量的米：在棋盘第1格中放1粒米，在棋盘第2格中放2粒米，在棋盘第3格中放4粒米，以此类推，直到放到棋盘的第64格为止。这个要求听起来真是不能再普通了，皇帝对农夫这个微小的请求感到吃惊。毕竟，这能用得了多少米呢？半袋，还是一整袋？事实是，要满足农夫的这个请求，所需的米数量惊人。通过数学计算，所需米的总量是264-1粒，结果接近2×1019粒米，这可是个很大的数目。皇帝的粮仓和世界上所有的中餐厅加起来都拿不出这么多米，实际上，整个地球上也没有这么多米。如果真的有这么多的米，那么这些米将足够覆盖整个地球表面，而且有好几厘米厚。

相较而言，一般催化反应的线性增长模式，就像是在64个棋盘格上各放1粒米。所以放满所有棋盘格所需米的总量不过是64粒！这可是64粒米（代表着催化反应）和2×1019粒米（代表着自催化反应）的差别。自催化反应显然是一类非同寻常的反应，它具有爆炸性的影响力。

但是自催化反应真的存在吗？答案是肯定的，它们确实存在，而且实际上在化学中十分常见。比如，丙酮溴化生成溴丙酮和溴化氢的反应就是自催化反应。这个反应由酸催化，而反应的产物之一溴化氢就是酸。不出意料，随着反应的进行，这个自催化反应的速率将急剧提高。不过，这种类型的自催化反应不是我们所感兴趣的。在几十年前发现的另一种自催化反应才真正称得上了不起。我指的就是长链状分子的自我复制，它们能产生复制自身的分子。这听上去很神奇，不是吗？但这并不是什么奇迹，这不过是化学而已。1967年，伊利诺伊大学的微生物学家索尔·施皮格尔曼（Sol Spiegelman）在试管中进行了分子复制实验，这是分子生物学中一个伟大的经典实验。27

施皮格尔曼不过简单地将一个RNA链（RNA是核糖核酸，它在结构上与其著名的近亲DNA有所不同），与处于自由状态的RNA基本组成单位和让反应加速的催化酶混合在一起。然后，RNA链就会开始自我复制。下面让我们来更详细地分析这个复制反应。像RNA这样具有自我复制的能力的分子，它们能诱导该分子的基本组成单位相互连接起来，从而生成原分子的拷贝。RNA结构的简单图示见图3（a），RNA的复制过程见图3（b）和图3（c）。从图3（a）中我们可以看到，RNA是由核苷酸片段连接而成的长链状分子。对RNAA分子而言，组成链状分子的核苷酸有四种，我们可以简单地把这四种核苷酸标记为U，A，G和C。所以一个RNA长链可以用这四个字母的序列来表示，比如UCUUGAGCC……就像图上表达的那样。相应地，具有不同核苷酸序列的RNA链的数量，将随着链长的增加而迅速增长。哪怕是一条相对较短的RNA链——比如仅由100个核苷酸组成——其中的核苷酸通过自由组合，也可以生成数量巨大的不同RNA链，总数高达4100条。这约等于1.6×1060条，也就是16后面跟着59个0。

那么，既然可能生成的RNA序列数量如此之大，那么一个RNA在复制过程中是如何用四种不同的核苷酸，按照正确的顺序生成自身的拷贝呢？答案在于RNA分子本身将作为复制的模板。实际情况就是，RNA的基本组成单位，自由的核苷酸A，U，G和C会像图3（b）描绘的那样附着在RNA链上。复制过程的重点是，这种类似于钥匙配锁的匹配方式保证了只有合适的组成单位能够与RNA模板上的特定位置连接起来，所以新生成的RNA中核苷酸的序列并不是随机的，而是与原来的RNA链相匹配。一个U核苷酸（尿嘧啶）只能与RNA链上的A核苷酸（腺嘌呤）相配对，一个C核苷酸（胞嘧啶）只能与G核苷酸（鸟嘌呤）配对，二者反过来的情况也是一样的。

图3　（a）RNA分子示意图，RNA分子由核苷酸A，U，G，C组成长链（b）正链RNA介导与其匹配的负链RNA的生成（从正链到负链）（c）新生成的负链RNA介导生成原RNA的复制（从负链到正链）

一旦单个的组成单位被锁定到模板RNA链上，每个核苷酸之间的间隔让它们能够相互连接形成RNA二聚体，即两条RNA链通过氢键连接在一起。因为两条链之间连接的力量比较微弱，所以两条RNA链稍后可以分开，所以现在我们有了两条RNA分子链，而不是开始的一条。当然，这两条链不是一样的而是互补的。因为，将两条链连接在一起的这种钥匙配锁的匹配方式——比如U与A相配，G与C相配——使得新生成的链实际上是模板RNA的负链，就像摄影中的负相一样。但是这意味着，一旦这条负链在第二轮复制循环中开始自我复制，这一过程所产生的新拷贝（负链的负链）就是正链了。所以，只有经过了两轮复制后，模板RNA链才能得到其本身真正的拷贝，这就是图3（c）所描绘的过程。所以，分子的自我复制是一个事实，它确实在现实中发生了。而且最重要的是，这是一个自催化反应。任何自我复制的反应从定义上来说都是自催化的。就像皇帝和农夫故事中的米一样，复制反应速度呈指数增长，能将少量的起始物质放大到极限，当然，实现这一切的前提是组成该物质的基本单位供应充足。(www.xing528.com)

值得注意的一点是，在没有模板链的情况下，我们不能通过直接混合这些单个的基本组成单位（U，A，G，C）来获得新的RNA链。即便这种情况可以发生，它们也不能组成特定序列的RNA。只有在RNA分子作为模板的情况下，这些核苷酸的混合物才能根据模板RNA链，将不同的组成单位锁定到合适的位置，组成正确的序列，并且让它们相互连接起来，从而形成目标RNA链的拷贝。

在活细胞中，这种类型的分子复制是十分常规的反应。DNA分子是每个细胞的核心，这个长链状的分子中包含了生命体的基因。DNA的复制是细胞分裂中的一个关键过程，因为这样才能保证在每次分裂后生成的每个子细胞中，都具有原细胞中DNA的拷贝。换句话说，这个过程就是单个DNA分子变成两个一模一样的DNA分子的过程（排除掉复制错误的情况）。但是在活细胞中，这一复制过程非常复杂，因为这个反应发生在一个严格调控且高度有序的环境下。直到最近，仍然没有人知道这些反应在没有细胞结构辅助的情况下如何独立发生。从前，化学的内容虽然丰富多彩，却没有包括自我复制的分子这一类别。不过，这一现象在近年来已经发生了巨大的改变。事实上，1986年德国顶尖的化学家君特·冯·凯德罗夫斯基在这方面做出了卓越的贡献，他在没有任何酶起作用的情况下（也就是没有任何生物性辅助），首次成功地开展了分子复制实验，这才终于实现了纯粹的化学复制。28让我们回想一下施皮格尔曼在20世纪60年代开展的复制实验，这个实验虽然意义重大，但依然需要酶来协助反应的进行，因此这并不是一个纯粹的化学过程。

现在，让我们来总结一下到目前为止提到的化学要点。

1.化学反应只能沿着系统能量下降的方向进行，不稳定的反应物将转化为更稳定的产物。

2.根据热力学规律可以发生的反应并不一定会发生，即便发生也有可能因为动力原因使得反应速率十分缓慢。反应系统需要克服能垒才能让反应发生。

3.模板分子的自我复制是化学反应，这类反应具有独特的动力学特质。自我复制作为一个自催化反应，可以使模板分子指数级地增加，直到将资源（该分子的基本组成单位）用尽为止。

正如我们将会见到的那样，自我复制分子的发现具有重要的意义，因为这些分子的存在正是理解生命如何出现的基础，也是理解非生命物质如何从一个简单的起点，在经历了漫长而艰苦的道路后形成复杂生命体的基础。当然，单个的自我复制分子，无论是RNA还是其他类似的结构，都不能仅靠其本身而形成生命，哪怕是最简单的生命形式都不可能。因为，它们毕竟只是分子而已。事实上，从各个方面而言，自我复制反应都是一个受化学反应规则控制的化学反应，就像其他反应一样。但是，自我复制反应的一些特质让我们认为这可能就是生命产生的起点。我已经指出，自我复制反应的自催化特质从动力学上来说十分特别，它可以将反应的效果急剧地放大，就像将成倍数量的米放置在棋盘上那样，最终得到惊人的数字。我们现在就来看看，自我复制反应的动力学特征会如何将我们引导到一个出人意料的化学方向上去。事实上，这个化学的分支十分独特且独立，由于其独特的性质，它甚至有了一个不同的名称：生物！不过，要阐明这一点，我们首先需要深入地了解一个基本的自然概念。这个概念我们在介绍热力学第二定律时已经简单提到过了，那就是“稳定性”的概念。