RNA世界假說的提出
針對上述悖論，爭論壹直沒完沒了，直到20世紀80年代兩個著名的實驗引出了壹個新的假說。
1982美國科羅拉多大學化學系T.R. Cech實驗室在研究嗜熱四膜蟲時，發現新轉錄的“前體核糖核酸(rRNA)”在壹定條件下可以自發催化其切割和剪接反應。它切除壹條核苷酸鏈，然後連接切割頭的兩端，形成壹個成熟的rRNA分子。該反應後，將釋放由413個核苷酸組成的“插入序列，IVS”。這個過程說明RNA具有酶的催化功能，起催化作用的是IVS，是前提rRNA中的自我剪接內含子。然而，壹旦成熟的RNA形成，IVS的催化活性也就喪失了，因此自剪接內含子仍然不是真正的催化劑和正宗的酶。但它確實表現出類似酶的功能，所以切赫等人稱之為“核酶”。
此外，在1978中，耶魯大學的S.Altman在純化大腸桿菌核糖核酸酶P(這種酶是細菌和高等真核生物中都存在的tRNA加工酶，是RNA和蛋白質的復合物)時，發現其中壹種RNA是細胞催化反應所必需的。在1983中，他與N.R. Pace合作，證明了在細胞環境中，核酸酶P為了在特定位點切割tRNA前體，既需要RNA，也需要蛋白質。但是在體外，單獨RNA的亞基可以在正確的位點切割tRNA，而蛋白質不能。第二年年初，Altman用壹個重組DNA模板轉錄的核糖核酸酶的RNA亞基催化tRNA的前提，發現它能引起後者的精確突變。這個實驗排除了復合物的蛋白質汙染的可能性，從而清楚地證明了RNA亞單位具有真正的催化功能。
後來，人們從不同的生物中獲得了數十種核酶，包括切割和剪接，既能催化自身反應，也能催化其他分子反應。此時，核酶已經被證實具有完全意義上的催化劑(酶)功能。切赫和奧特曼也因為這壹轟動性的發現分享了1989諾貝爾化學獎。
鑒於RNA既可以作為信息載體，也可以起到催化作用，換句話說，它既可以起到類似DNA的作用，也可以起到蛋白質的作用，人們自然會認為RNA，而不是DNA或蛋白質，是生命起源時最早的生物分子系統和遺傳物質。1986年，另壹位因發明基因測序而獲得諾貝爾獎的哈佛大學的W·吉爾伯特(W.Gilbert)在Nature(319:618)上正式以此為題撰文，首次提出了“RNA世界”的理論。
這個理論的中心是:在生命起源的早期，有壹個完全由RNA分子組成的分子系統，系統的信息由RNA儲存，壹些具有催化功能的RNA分子催化RNA本身信息的傳遞和RNA分子的自我復制；因為這個系統可以儲存和復制信息，所以這個系統可以生存和進化；最後，信息的存儲被結構更穩定的DNA分子取代，催化功能被催化能力更強的蛋白質取代，從而形成現代生命系統。隨著壹些新實驗的驗證和新現象的發現，“RNA世界”假說在生物學領域仍然有著很高的影響力，在壹般著作甚至壹些分子生物學教科書中，都是作為已證實的事實來介紹的。
其實這個想法其實可以追溯到20世紀60年代。當時，伊利諾伊大學的C. Woese，加州索爾克研究所的L. Orgel，發現DNA雙螺旋結構的英國生物學家F. Crick都認為RNA是最早的生物內在分子，並預言RNA可能具有催化功能。他們的理解是基於RNA在現有生物中的普遍存在:我們知道，在DNA轉錄和翻譯過程中，信使RNA(mRNA)、核糖體RNA(rRNA)和轉運體RNA(tRNA)三種RNA缺壹不可，最終合成蛋白質。此外，病毒以RNA而非DNA形式存在的發現也說明了這壹想法的合理性和可能性。但當時因為沒有RNA催化的證據，這個想法休眠了很多年，直到切赫和奧特曼發現才公之於眾。隨後，RNA的多功能研究更多的走上了生物學家的實驗平臺，反義RNA和RNA幹擾技術的發現(2006年諾貝爾生理醫學獎)不能不得益於此。
RNA催化的後期實驗
隨著RNA研究的熱潮，除了上面提到的切赫和奧特曼的工作，其他幾項研究也值得稱道。
在1992中，美國生物學家Noller等人用高濃度蛋白酶K、強離子去汙劑SDS和苯酚處理大腸桿菌50S的大亞基，去除與23SrRNA結合的各種核糖體蛋白。結果表明，獲得的23SrRNA仍具有肽基轉移酶活性，並能催化肽鏈的合成。同時，切赫實驗室還發現，氨基酸與tRNA之間的鍵的形成和斷裂僅由rRNA催化；在1995中，科羅拉多大學的M. Illangasekare等人發現RNA(不是rRNA，也不是氨酰基-trna合成酶)可以催化氨酰基的轉移，篩選後反應速度至少提高了105倍；同樣在1995年，哈佛大學Szostak團隊發現了可以通過“體外進化系統”參與C-N鍵合成的核酶(Nature，374:777)。在1998，麻省理工學院的大衛·巴特爾的團隊發現了壹種可以催化RNA合成的單體-嘧啶核苷酸(Natuer，395:223)。他們的進壹步研究還發現，核酶可以基於1 RNA模板合成第三種RNA。因此，RNA可以基於1個RNA模板合成第三個RNA，即RNA可以復制RNA，傳遞遺傳信息，雖然合成的第三個RNA的長度只有14個核苷酸(Science，2001，292: 1319)。
上述研究成果極大地豐富了RNA的化學內容，為RNA世界理論提供了有力的證據，表明早期生命活動可能主要通過RNA催化來實現。“RNA世界”是生命早期非常重要的壹段時期，這段時期可能根本沒有蛋白質和DNA。
RNA世界的另壹種解釋
病毒前面提到了，這裏先從病毒說起。該病毒是壹種無細胞生物，具有由核酸分子(DNA或RNA)和蛋白質外殼組成的核心-衣殼結構。雖然目前對其進化位置存在爭議。然而，引起人們關註的是，以RNA為遺傳物質的病毒，尤其是類病毒(僅由壹個感染性RNA分子組成)的存在，也證明了RNA分子的功能特殊性？病毒是如何起源的？和其他物種的起源有什麽關系？如果單純討論病毒本身的進化，是否可以認為有類病毒，然後是RNA病毒，最後是DNA病毒？這個問題困擾進化生物學家很久了。
長期以來，有壹種假說認為病毒來源於細胞，病毒的基因來源於細胞基因。當細胞基因的小片段從細胞基因組中逃逸出來並被包裹在蛋白質中時，病毒就形成了。當然，基於病毒的寄宿性質，科學家有理由認為病毒如此簡單，沒有細胞就無法完成各種生命活動。
然而，長期從事DNA復制機制研究的法國生物學家帕特裏克·福泰爾(Patrick Forterre)卻不這麽認為。在DNA復制的研究中，他發現病毒的DNA復制酶和復制機制不同於細菌和真核生物。如果病毒起源於細胞，它應該類似於細胞DNA的復制。
相比之下，Fortress認為病毒是物種進化的中心，其他物種的DNA來自病毒。他認為RNA應該是最早的遺傳信息載體，並在此期間形成了以RNA為基因組的單細胞生物體(被認為是除原核生物、真核生物和真核生物之外第四個未被發現的新物種)。由於RNA的不穩定性，這些細胞的RNA容易形成小片段，這些小片段被蛋白質包裹，形成原始病毒。這些病毒感染細胞並被細胞抵抗，細胞產生蛋白質降解RNA分解外來RNA。這就是外源RNA(RNAi)細胞降解機制的起源。病毒也在進化。它們不斷修改自己的基因組，從單鏈變成雙鏈，從RNA變成DNA，因此更加穩定，抵抗宿主的降解。那麽這些病毒就生活在宿主體內。因為DNA比RNA更穩定，所以它取代了宿主RNA，成為細胞中唯壹的遺傳物質。所以細胞DNA來源於病毒DNA，細胞核來源於病毒。
這個假說受到了很多人的質疑，他們認為在DNA出現之前不可能存在如此復雜的生命系統，所以帕特裏克堡壘假說的前身是不成立的。然而，帕特裏克·福泰爾說，這些人的觀點與達爾文的進化論相反，因為進化是從RNA到DNA的反映。
的確，從進化的角度來看，似乎應該是先有RNA後有DNA。除了上述“蛋雞悖論”和“RNA世界”的假設，從純化學的角度來看也是成立的:1)RNA分子相對簡單，只有壹條鏈，而DNA分子非常復雜，有兩條鏈。根據進化定律，簡單的分子總是先出現；2)與DNA分子上的脫氧核糖相比，RNA分子中核糖的C2位置有羥基，前者的化學性質非常活潑，使RNA鏈不穩定。按照從不穩定到更穩定的進化方向，RNA最先出現。
事實上，Fortress的假設是合理的，今天的RNA幹擾技術無疑是這壹假設的絕佳證明。但是有壹些疑問:1)以RNA為基因組的類細胞系統存在嗎？2)這壹假說為RNA向DNA的轉變(抵抗宿主的降解)提供了外部動力，其內在機制是什麽？也就是說，為什麽單鏈RNA變成了雙鏈DNA？3)3)RNA如何轉化為DNA？
我們不知道第壹個問題的答案。對於第二點，我們壹方面可以認為上面提到的DNA分子的相對穩定性使得大自然選擇了它而拋棄了RNA，另壹方面可以用加州斯克裏普斯研究所的貝爾等人的實驗結果來解釋。在合成實驗的基礎上，他們發現RNA在現代生物中以部分雙鏈的形式存在，大自然選擇了RNA的雙螺旋結構。因為它既有較高的粘結強度，又有良好的柔韌性，能更好地履行生命的職責(科學，1999，83:699)。RNA分子中的核糖壹旦被更穩定的脫氧核糖取代，就會自然向雙鏈DNA進化，這是化學的內在機制決定的。
至於以RNA為遺傳物質的早期生命是如何把攜帶遺傳信息的能力轉移到現在的DNA上，把催化的功能轉移到蛋白質上，壹直沒有令人信服的證據。特別是在功能方面，由於依賴於三維空間的排列，功能無法通過堿基配對從DNA到RNA，尤其是RNA到DNA(在某些病毒中)以線性方式有效傳遞，導致生物分子之間功能傳遞機制不明。2006年，美國斯克裏普斯研究所的Gerald F. Joyce在R3C RNA(壹種由57個核酸組成的核酶)的基礎上首次合成了相應的DNA序列。當然，這個合成的DNA序列沒有任何催化活性。然後，通過壹個體外加速進化的過程，研究人員成功地在試管中找到了與原始核酶活性相同的DNA序列，證明了基於核酸的遺傳信息系統可以以線性方式傳遞，功能也可以在壹定數量突變的基礎上以同樣的方式在兩個系統之間進行(chemistry &: Biology，2006，13:329)。第三個問題也解決了。
再說幾句關於傑拉爾德·f·喬伊斯的話。1978畢業於芝加哥大學，1984獲得UCSD博士學位，1985-1988在索爾克研究所做博士生，1989成為斯克裏普斯研究所分子生物學教授。他的研究領域包括RNA生物化學和通過體外進化技術開發新的RNA和DNA聚合酶。他對早期生物化學很感興趣，認為核酸是壹種基因分子，可以在試管中進行擴增和突變。利用核酸作為催化劑和基因分子的雙重屬性，他所在的實驗室設計發明了體外RNA分子直接進化技術。試管中核酸聚合酶進化的速度最高可達每天100代，比自然界的速度快得多。他們利用這個體外進化系統來探索RNA的催化潛力，重點是那些具有催化自身復制能力的RNA聚合酶。利用這種人工進化系統和選擇突變理論，喬西揭示了新的RNA聚合酶可能在早期生命的形成中發揮了重要作用，並向我們展示了如何從無生命的化學物質進化為有生命的物質。正是因為在這壹領域的傑出貢獻，他獲得了2005年國際生命起源協會的最高獎——尤裏獎。
《科學》雜誌上的幾篇研究論文用來解釋RNA世界和生命起源
核糖體是壹個分子工廠，將生命中所有的遺傳信息翻譯成蛋白質。首次獲得的壹個具有原子分辨率的大型核糖體亞單位的結構圖顯示了壹些意想不到的細節，加強了對地球生命起源“RNA世界”模型的支持。
耶魯大學長期從事核糖體研究的科學家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz及其同事報告了來自鹽桿菌Haloarcula marismortui的壹個分辨率為2.4埃的大型核糖體亞單位的完整原子結構。這個亞單位由兩個核糖體RNA(rRNA)分子和31蛋白質組成。這些研究人員發現，rRNA結構域就像核糖體中三維拼圖的組件壹樣互鎖，從而形成單壹實體。伴隨著核蛋白體周圍的球狀蛋白，壹些蛋白質奇形怪狀地延伸到核蛋白體中。然而，活性位點)——在核糖體上——那些催化蛋白質肽鏈形成的地方——只包括rRNA。核糖體蛋白本身似乎並不參與將遺傳信息轉化為蛋白質的反應，它們的功能可能類似於粘土或砂漿，將rRNA的關鍵“磚塊”粘在壹起。
這項16頁的工作作為壹篇文章發表在《科學》雜誌上(2000，289:905-920)。此外，在作為同伴發表的第二篇文章(Science，289:920-930)中，他們指出，上述結構意味著核糖體實際上是壹種核酶，即壹種能夠催化自身化學反應的RNA分子。這個大的核糖體亞單位包括壹個從它與小的核糖體亞單位的接觸點到它後面的隧道。這條隧道是核糖體工廠“流水線”的主要出口。加入更多的氨基酸後，它會不斷發出多肽鏈。在隧道入口處的壹個深裂縫的底部是肽鏈形成的活性位點，研究人員在這裏仔細觀察了這整個RNA結構域的催化性能。
核糖體上的這些位點是從哪裏以及如何獲得催化能力的？在同壹期《科學》雜誌上，還發表了在耶魯大學分子生物物理學和生物化學系工作的Gregory W. Muth的壹篇文章(Science，289:947)。根據嗜鹽細菌研究人員Gregory W. Muth及其同事對大腸桿菌核糖體活性部分的相應工作，rRNA上的壹個單核苷酸堿基似乎被所有活著的物種所保留，具有恰到好處的酸堿性質。RNA在這些核糖體中的獨立性和主導作用可能會進壹步支持地球上的生命起源於RNA的觀點，因為RNA是壹種不僅可以儲存遺傳信息，還可以催化反應以繁殖其他分子的分子。
根據以上三個結果，最早發現核酶的Thomas R. Cech發表了他的觀點，討論了這些發現和RNA世界的可能性(《科學》，289:879)。
說到這裏，是時候回到開頭提到的那篇關於“核糖開關”的文章了。壹些細菌可以四處“遊泳”，改變成新的形式，有時甚至會變得劇毒，這壹切都沒有DNA的參與。鑒於RNA功能多樣性的諸多發現，人們自然會認為是它在起作用。那麽，RNA是如何調控基因的呢？Ronald Breaker(也來自耶魯大學，但隸屬於霍華德·休斯醫學研究所)和他的同事發現，壹種僅由兩個核苷組成的名為cyclic di-GMP的RNA分子可以激活壹個更大的RNA結構——核糖開關。核糖開關可以調節大量的生物活動。它們位於信使RNA的單鏈上，傳遞DNA的遺傳指令，可以獨立決定激活細胞中的哪些基因，這曾被認為是蛋白質的獨特能力。布雷克的實驗室已經用化學方法制造了核糖開關。自2002年以來，大約有20種天然核糖開關被發現，其中大部分隱藏在DNA的非基因編碼區。這項研究有助於解釋與生命起源有關的問題。也就是說，在數十億年前，含有RNA的單鏈核苷可能是生命的原始形式，它執行了壹些目前由蛋白質執行的復雜細胞功能。Breaker認為核糖開關在細菌中高度保存，表明其重要性和古老的血統(Science，2008，321: 411)。
我們來談談RNA世界假說
在《生命的起源》中，RNA先行的理論能夠被科學界更多的學者接受，得益於上述RNA功能多樣性的發現。但是，要真正證明RNA是最早的遺傳物質，還有很多問題。最大的問題是在模擬的原始條件下合成RNA非常困難。喬伊斯也認為這是“RNA世界”假說中最薄弱的壹環(Science，1989，246: 1248)。
生物合成前的實驗表明，在原始地球上，當水蒸氣、CO2、N2等氣體分子遇到閃電或太陽紫外線輻射時，可以生成大量的氫氰酸和甲醛，它們進壹步反應得到堿基。然而，從大量結構相似的異構體和產物中選擇這些堿基和核糖，並沒有明顯的進化原因，也可以形成指定的結合模式和完美的序列結構。
這甚至讓人懷疑是壹只“上帝之手”在暗中操控著這壹切。65438年至0974年諾貝爾生理學和醫學獎得主克裏斯汀·德·迪夫認為“RNA世界”過於復雜和不可思議。在1991寫的《壹個細胞的藍圖》壹書中，德·杜維提出了壹個更古老的觀點:生命起源於某種原始的新陳代謝。他認為早期地球上隨機發生的化學反應可能產生了大量的肽，周圍還有許多其他有機分子；這些化合物很多都是天然催化的，壹旦形成，就可以選擇性地控制原來的化學反應；然後某些物質的濃度會先升高，然後依次開始催化進壹步的反應；眾多連接催化劑和反應產物的網絡將減少副反應，從而提供了壹個非遺傳的自然選擇模型，而這些被選擇的催化劑是當今生物體內壹些酶的原始祖先。德·杜維的這壹系統假說實際上與我之前博文中提到的不對稱自動催化和Wachtershauser的化能自養理論是壹致的，後兩者甚至可以說為德·杜維的“細胞藍圖”假說提供了實驗證據。然而，德·杜維自己也承認，這些關鍵步驟都沒有在實驗室中得到證明。