复制优先原理与RNA世界的关系及其挑战

如前所述，生命起源理论中“复制优先”的观点认为，生命的出现与一些寡聚自复制物质的产生有关，并且这些可以复制的物质稍后会发生变异并不断复杂化，直到转化为基本的生命形式。1914年，美国物理学家伦纳德·特罗兰（Leonard Troland）首次提出了这样的看法。到了20世纪60年代晚期，索尔·施皮格尔曼做出的出色贡献大大地增强了这种观点的影响力。不久后，曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）和彼得·舒斯特在20世纪70年代开展的前沿研究工作进一步为这个看法提供了支持。44“复制优先”的核心观点是，在出现核酸和蛋白质相互依存的世界之前（这二者共同构成了所有现代生命的基础）存在一个RNA世界。45RNA世界学说的主要吸引力在于它似乎可以解决长期存在于核酸和蛋白质的世界中“鸡生蛋，蛋生鸡”式的困境。一切现代生命形式都依赖于蛋白质与核酸之间的依存关系。遗传信息的载体DNA如果不依靠蛋白酶的催化，就不能进行复制；而蛋白酶如果事先没有DNA分子的编码，也无法被合成出来。那么这样一个相互依存的双重世界是如何产生的呢？RNA世界假说认为，在最开始的时候，RNA分子承担了遗传信息载体和催化活性物质的双重功能，这一观点似乎解决了上述困境。RNA有携带遗传信息的能力并不让人感到惊讶，毕竟它是一种和DNA关系密切的核酸。但是，两位美国科学家，科罗拉多大学的托马斯·切赫（Thomas Cech）和耶鲁大学的悉尼·奥尔特曼（Sidney Altman）发现RNA可以发挥酶的功能并催化关键的生物化学反应。这个发现极大地增强了RNA世界假说的影响力（切赫和奥尔特曼也因此获得了诺贝尔奖）。但是RNA世界假说的成立与否，主要取决于自我复制的分子能否自发地出现在前生命地球上，而这一观点也一直受到挑战。

“复制优先”遭到的批评主要源于一个观点，即前生命地球上的环境不适宜自复制分子的自发生成。不过，正如我们前面讨论过的那样，这个观点并没有坚实的基础。“前生命环境”一词在讨论生命起源的文献中经常被使用，这个术语虽然可以传达一些泛泛的信息，但它并不具有任何确切的含义。所以，如果一个反应过程符合基本的化学规律，我们就不能光凭“前生命环境”一词来排除该过程发生在前生命地球上的可能性。既然科学家们可以在实验室中合成复制分子，那么我们便不能简单地否定它们在前生命地球上出现的可能。此外，我们对前生命地球环境的无知更意味着，我们没有能力否认这些物质在当时自发地出现过。

“复制优先”一个更加根本的问题在于它显然不符合热力学第二定律。让我们来回顾一下“复制优先”观点的真正含义，这一观点认为地球上一旦出现了自我复制的物质，那么这些物质将朝着复杂化的方向发展，直到发展为基本的生命形式。这个主张的困境在于，生命体作为一个高度有序并且远离平衡态的系统，它需要不断地消耗能量来维持其远离平衡态的状态。换句话说，如果复制分子想要成为简单的生命系统，那么它将不会依照热力学规律产生更稳定的产物，而是会成为高度复杂且不稳定的系统，这无疑不同于正常化学反应发生的方向。从热力学的角度而言，这就像是反应沿着能量的“上坡”方向进行，而不是像一般情况中那样朝着“下坡”前进。(www.xing528.com)

所以，即便复制分子可以自发地产生，而且周围的环境也能让它们的复制反应顺利进行，这个复制反应也只能在系统还没达到最低自由能状态（平衡态）时发生。一旦系统达到了最低能量状态，分子向基本生命形式进化的过程就会停止。事实上，经过40余年对复制分子的实验，研究者们仍然没有发现这些分子有发展为远离平衡态的代谢系统的倾向。如果要让“复制优先”的观点站得住脚，我们需要解释复制系统为何会朝着复杂化的“上坡”方向发展。稍后，我将会针对这一点多做一些解释。但我们不妨先来看看“代谢优先”的观点能否经得起推敲。