7 冥古宙-早雨海代：化學進化

2023-07-16 11:29 作者:風是青的 0人讀過 | 我要投稿

前排提示：本期專欄可能會比較硬核，請做好心理準備

? ? ? ? 在38億年前的早雨海代，木星還在太陽系中放飛自我，大量的小行星被木星的引力牽拉形成著名的LHB（見第四章）。而這一片兇險之下的地球原始海洋中，一個化學的奇跡正在上演。

? ? ????初中課本上曾介紹過（是不是初中的我不記得了，反正課本上有），生物的進化分為幾個階段，細胞之前的階段為：無機小分子->有機小分子->生物大分子->細胞體系。而這些階段，在38億年后的今天，被統(tǒng)稱為“化學進化”。

一.無機小分子->有機小分子

? ? ? ??自從維勒（Wohler）在1828年通過重排反應將氰酸鉀轉化為尿素以來，人們就認識到：無機物與有機物之間是可以相互轉化的。而米勒-尤里實驗則進一步論證自然條件下無機物合成諸如氨基酸在內的多種小分子有機物的可行性。現在認為，在早雨海代的原始海洋中，由無機物向有機物轉變的過程已經在發(fā)生了，久而久之，早雨海代的海洋便呈現了一種“有機湯”的姿態(tài)。

? ? ? ? 根據米勒-尤里（Miller-Urey）實驗的設想（見第五章），早雨海代的地球環(huán)境充斥著CO2，甲烷，氨氣，氰化氫等還原性小分子，這些小分子共同構成了地球的原始大氣（某些up主認為原始大氣在“大碰撞”中被摧毀，這是把原始大氣與初生大氣混淆了。目前認為地球的初生大氣成分主要是氫氣和氦氣，它們確實在大碰撞之后灰飛煙滅了，但是米勒等人所認為的“原始大氣”，實際上是大碰撞之后形成的“次生大氣”）。在地熱、閃電等環(huán)境作用的催化下，這些小分子不斷聚合，產生最早的生物小分子：

1.?氨基酸

? ? ???氨基酸的合成可以大致分為兩類：

? ?? ??第一類氨基酸是最基本的一些氨基酸，諸如α-氨基乙酸（甘氨酸），α-氨基丙酸（丙氨酸），它們可以通過小分子直接化合而來。譬如下列方程式

? ? ? ? ?第二類氨基酸具有較為復雜的側鏈基團（R基），可能是通過對應的醛與氨氣，氰化氫化合之后水解即可生成。

? ? ? ? 米勒和尤里的實驗在一周后就得到了11種氨基酸，這其中有4種屬于蛋白質氨基酸，它們分別是甘氨酸（G）、丙氨酸（A）、纈氨酸（V）和天冬氨酸（D）。上述氨基酸先記住，后面會考。

2.?嘌呤核苷酸

? ? ? ?生物體內的嘌呤核苷酸一共有四種。在這四種嘌呤（A、G、I、X）之中，腺嘌呤（C5H5N5）是唯一一種沒有氧元素的，也是在有機湯中最容易產生的。它的化學式可以寫成（HCN）5的形式，即五聚氰化氫。

? ? ? ? 在氰化氫電離后，形成的氰基可以產生一個親核基團。然后，它可以對另一個氰化氫的碳氮三鍵發(fā)起親核進攻，加成生成亞氨基乙腈，再經歷一次親核加成生成氨基丙二腈。氨基丙二腈經過了一系列加成，取代與重排之后，生成四聚化的氨基咪唑甲脒。最后，第五個氰化氫加成上去，就得到五聚的終產物——腺嘌呤。

? ? ? ? 1960年，Oro使用氰化氫在濃氨溶液中聚合，成功合成出了腺嘌呤，復刻了亙古時期這一劃時代的反應。

3.?嘧啶核苷酸

? ? ? ??胞嘧啶（C4H5N3O）的合成也類似，不過其中的氧元素是由氰酸根（-OCN）所提供反應過程如下：

? ? ? ??經過了一系列的化學反應后，早期海洋中的有機小分子含量達到了一個較高的濃度，伴隨著外太空小行星中可能含有的核苷酸，氨基酸等有機物以及深海熱泉中超臨界CO2的催化，這些小分子逐漸聚合為生物大分子。

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二.有機小分子->生物大分子

? ? ????從有機小分子產生生物大分子的過程在如今的生物教學中被歸入《分子生物學》這一板塊，主體是中心法則，這是我們司空見慣的事物。但是，早雨海代的海洋中聚合反應的發(fā)生可謂是前無古人（當然，那個時候不可能有人）。

? ? ???現在的觀點認為，聚合反應發(fā)生的地點正是先前提及的深海“煙囪”（見第六章）。深?！盁焽琛睆牡叵碌胶Ｑ笾性俚胶Ｋ锩?，存在著一個溫度梯度。那么必然就有小分子聚合所需的一個最適溫度。

? ? ? ?而且，由于海水通常呈現酸性，火山噴發(fā)物又常常呈現堿性，故深海熱泉的內外出現了酸堿梯度。同時，深海熱泉口中蘊含著由地幔向上噴涌的過渡金屬。中學化學就講過，過渡金屬們大多數都是良好的催化劑。從而，在上述多種因素的綜合下，深海底部的熱泉中終于誕生了最早的核酸，隨后是最早的蛋白質（PNA這東西過于神奇，不講）。

????這時起，生命，正式登上歷史舞臺！

三.?生物大分子->細胞體系

? ? ?? ?最早的生物大分子，或許只是一個個被困在深海熱泉石質牢籠中能夠自我復制的RNA（《從一到無窮大》中定義的生命是“能夠完成自我復制”），它們構建出了一個“RNA世界”。后來，這些RNA將遺傳信息交給DNA儲存，把催化作用交給更加專一性的蛋白質完成，自己則催化一些高度重復的反應，譬如核糖體中蛋白質的合成就是由23S/28SrRNA完成；以及負責生物體最重要的功能——基因表達調控。

? ? ????然而，將核苷酸信息轉化為氨基酸信息可不是一件簡單的事。具體來說，涉及到兩種語言的轉換，即翻譯（translation）。這一過程的演化主要涉及到密碼子的讀取以及新的氨基酸的加入。

? ? ????美國學者戴霍夫（Dayhoff）發(fā)現，在tRNA的祖先分子中，C與G的含量顯著高于A與U的含量。而且，如果你仔細閱讀過生物必修2上邊的密碼子表，你就會發(fā)現，密碼子的第二位對于不同類型氨基酸的影響是最大的（密碼子表的主體也是第二位），第一位有一定的影響但是不是最大，而密碼子的第三位就通常是具有擺動性的，即第三位對于氨基酸的影響最小。

? ? ? ? 基于上述事實以及一些推斷，她認為密碼子的演化順序是：GNC->GNY->RNY->RNN->NNN（其中N=U+C+A+G,R=A+G，Y=U+C）。翻看現在的密碼子表，我們會發(fā)現一件神奇的事：最早出現的四個密碼子GGG，GCG，GUG，GAG剛好對應著甘氨酸，丙氨酸，纈氨酸和天冬氨酸（不要質疑我，本人背了密碼子表）。而這四種氨基酸，恰恰是米勒-尤里實驗中所發(fā)現的那四種。這或許是實驗與假說的偶然性，但是，這也同時說明了早雨海代時期化學進化的必然性。