7 冥古宙-早雨海代：化学进化

2023-07-16 11:29 作者:风是青的 0人读过 | 我要投稿

前排提示：本期专栏可能会比较硬核，请做好心理准备

在38亿年前的早雨海代，木星还在太阳系中放飞自我，大量的小行星被木星的引力牵拉形成著名的LHB（见第四章）。而这一片凶险之下的地球原始海洋中，一个化学的奇迹正在上演。

初中课本上曾介绍过（是不是初中的我不记得了，反正课本上有），生物的进化分为几个阶段，细胞之前的阶段为：无机小分子->有机小分子->生物大分子->细胞体系。而这些阶段，在38亿年后的今天，被统称为“化学进化”。

一.无机小分子->有机小分子

自从维勒（Wohler）在1828年通过重排反应将氰酸钾转化为尿素以来，人们就认识到：无机物与有机物之间是可以相互转化的。而米勒-尤里实验则进一步论证自然条件下无机物合成诸如氨基酸在内的多种小分子有机物的可行性。现在认为，在早雨海代的原始海洋中，由无机物向有机物转变的过程已经在发生了，久而久之，早雨海代的海洋便呈现了一种“有机汤”的姿态。

根据米勒-尤里（Miller-Urey）实验的设想（见第五章），早雨海代的地球环境充斥着CO2，甲烷，氨气，氰化氢等还原性小分子，这些小分子共同构成了地球的原始大气（某些up主认为原始大气在“大碰撞”中被摧毁，这是把原始大气与初生大气混淆了。目前认为地球的初生大气成分主要是氢气和氦气，它们确实在大碰撞之后灰飞烟灭了，但是米勒等人所认为的“原始大气”，实际上是大碰撞之后形成的“次生大气”）。在地热、闪电等环境作用的催化下，这些小分子不断聚合，产生最早的生物小分子：

1. 氨基酸

氨基酸的合成可以大致分为两类：

第一类氨基酸是最基本的一些氨基酸，诸如α-氨基乙酸（甘氨酸），α-氨基丙酸（丙氨酸），它们可以通过小分子直接化合而来。譬如下列方程式

第二类氨基酸具有较为复杂的侧链基团（R基），可能是通过对应的醛与氨气，氰化氢化合之后水解即可生成。

米勒和尤里的实验在一周后就得到了11种氨基酸，这其中有4种属于蛋白质氨基酸，它们分别是甘氨酸（G）、丙氨酸（A）、缬氨酸（V）和天冬氨酸（D）。上述氨基酸先记住，后面会考。

2. 嘌呤核苷酸

生物体内的嘌呤核苷酸一共有四种。在这四种嘌呤（A、G、I、X）之中，腺嘌呤（C5H5N5）是唯一一种没有氧元素的，也是在有机汤中最容易产生的。它的化学式可以写成（HCN）5的形式，即五聚氰化氢。

在氰化氢电离后，形成的氰基可以产生一个亲核基团。然后，它可以对另一个氰化氢的碳氮三键发起亲核进攻，加成生成亚氨基乙腈，再经历一次亲核加成生成氨基丙二腈。氨基丙二腈经过了一系列加成，取代与重排之后，生成四聚化的氨基咪唑甲脒。最后，第五个氰化氢加成上去，就得到五聚的终产物——腺嘌呤。

1960年，Oro使用氰化氢在浓氨溶液中聚合，成功合成出了腺嘌呤，复刻了亘古时期这一划时代的反应。

3. 嘧啶核苷酸

胞嘧啶（C4H5N3O）的合成也类似，不过其中的氧元素是由氰酸根（-OCN）所提供反应过程如下：

经过了一系列的化学反应后，早期海洋中的有机小分子含量达到了一个较高的浓度，伴随着外太空小行星中可能含有的核苷酸，氨基酸等有机物以及深海热泉中超临界CO2的催化，这些小分子逐渐聚合为生物大分子。

二.有机小分子->生物大分子

从有机小分子产生生物大分子的过程在如今的生物教学中被归入《分子生物学》这一板块，主体是中心法则，这是我们司空见惯的事物。但是，早雨海代的海洋中聚合反应的发生可谓是前无古人（当然，那个时候不可能有人）。

现在的观点认为，聚合反应发生的地点正是先前提及的深海“烟囱”（见第六章）。深海“烟囱”从地下到海洋中再到海水里面，存在着一个温度梯度。那么必然就有小分子聚合所需的一个最适温度。

而且，由于海水通常呈现酸性，火山喷发物又常常呈现碱性，故深海热泉的内外出现了酸碱梯度。同时，深海热泉口中蕴含着由地幔向上喷涌的过渡金属。中学化学就讲过，过渡金属们大多数都是良好的催化剂。从而，在上述多种因素的综合下，深海底部的热泉中终于诞生了最早的核酸，随后是最早的蛋白质（PNA这东西过于神奇，不讲）。

这时起，生命，正式登上历史舞台！

三. 生物大分子->细胞体系

最早的生物大分子，或许只是一个个被困在深海热泉石质牢笼中能够自我复制的RNA（《从一到无穷大》中定义的生命是“能够完成自我复制”），它们构建出了一个“RNA世界”。后来，这些RNA将遗传信息交给DNA储存，把催化作用交给更加专一性的蛋白质完成，自己则催化一些高度重复的反应，譬如核糖体中蛋白质的合成就是由23S/28SrRNA完成；以及负责生物体最重要的功能——基因表达调控。

然而，将核苷酸信息转化为氨基酸信息可不是一件简单的事。具体来说，涉及到两种语言的转换，即翻译（translation）。这一过程的演化主要涉及到密码子的读取以及新的氨基酸的加入。

美国学者戴霍夫（Dayhoff）发现，在tRNA的祖先分子中，C与G的含量显著高于A与U的含量。而且，如果你仔细阅读过生物必修2上边的密码子表，你就会发现，密码子的第二位对于不同类型氨基酸的影响是最大的（密码子表的主体也是第二位），第一位有一定的影响但是不是最大，而密码子的第三位就通常是具有摆动性的，即第三位对于氨基酸的影响最小。

基于上述事实以及一些推断，她认为密码子的演化顺序是：GNC->GNY->RNY->RNN->NNN（其中N=U+C+A+G,R=A+G，Y=U+C）。翻看现在的密码子表，我们会发现一件神奇的事：最早出现的四个密码子GGG，GCG，GUG，GAG刚好对应着甘氨酸，丙氨酸，缬氨酸和天冬氨酸（不要质疑我，本人背了密码子表）。而这四种氨基酸，恰恰是米勒-尤里实验中所发现的那四种。这或许是实验与假说的偶然性，但是，这也同时说明了早雨海代时期化学进化的必然性。