生命是一种基于复杂的分子相互作用的现象，这些相互作用发生在微观尺度的生物细胞中，涉及数千种不同的分子物种。在人类的身体中，有一个基本的过程每天重复无数次。
典型原核细胞结构
在这个过程中，称为复制的操作，蛋白质复制了存储在细胞核中的DNA分子中编码的遗传信息——然后在细胞分裂时将它们平均分配给两个子细胞。
然后，信息被选择性地复制（“转录”）成所谓的信使RNA分子（mRNA），它们指导细胞所需的许多不同蛋白质的合成。另一种类型的RNA——转移RNA（tRNA），它在mRNA转化为蛋白质时起着核心作用。
mRNA的球棍模型，其中灰色小球代表碳原子，红色小球代表氧原子，蓝色小球代表氮原子，橘色小球代表磷原子
转移RNA充当mRNA和蛋白质之间的中介：它们确保每种特定蛋白质由哪些氨基酸组成，并按照相应mRNA指定的顺序将它们连接起来。
图为mRNA前体上的一段茎环结构。含氮碱基以绿色表示，而磷酸-核糖骨架则以蓝色表示。注意茎（双链）结构是由一条RNA单链通过折叠形成
当生命最早在地球上出现时，哪个先出现：功能还是信息？这是一个关于生物学如何从预生物化学产生的一个重要未解决的问题。有些科学家认为，生命最初是从RNA开始的，因为一些RNA分子可以兼顾两种功能，像蛋白质一样行事。
肌球蛋白三维结构的飘带图，其主要由α螺旋所构成。这种蛋白质是第一个通过X射线晶体学解析其结构。
但是，另一些科学家相信蛋白质先出现了。蛋白质优先的观点有助于解决另一个重大谜团：达尔文进化论从哪里来？他们不仅想知道第一天出现了什么形式的物质，还想知道为什么这种物质会持续、适应并向前发展到第二天、第三天和以后。
达尔文进化论是生物学在全球范围内不懈地适应、创新和变化的驱动力。通过适者生存，有机体竞争赢得资源，产生其他有机体，并适应它们的环境。自从查尔斯·达尔文160年前以来，科学家知道进化是如何运作的，但他们不知道它是如何开始的。
四种物种形成过程的比较图
进化必须有一个开始。它不是一个普遍定律，像物理学或化学原理一样，自宇宙开始就一直运行。据科学家所知，进化只是自35亿年前生物学首次出现以来才开始运行的，比地球形成晚了10亿年。
为什么蛋白质会先出现呢？
科学家认为，蛋白质是细胞质量的大部分，因此细胞进化所依赖的差异性增长率主要是蛋白质产量的问题。而且，蛋白质是制造分子，它们催化了那些增长反应。重要的是，蛋白质具有序列-结构-功能的关系。
大多数其他聚合物，包括大多数RNA，都没有这种关系。蛋白质形成特定的折叠结构，这些结构是细胞的分子功能、行为和行动的基础。科学家想象一下，蛋白质的20种氨基酸大致分为两类：类似油的疏水单体和类似水的极性单体。
这些单体可以按照任意顺序连接起来，形成一个长链。然后，这个链会自发地折叠成一个稳定的三维结构，这个结构取决于单体之间的相互作用。例如，疏水单体倾向于聚集在一起，远离水分子，而极性单体倾向于与水分子相互作用。这样，蛋白质就能形成各种各样的形状和大小，从而具有不同的功能。
科学家认为，在生命最初出现时，蛋白质就已经存在了，并且具有一些简单的功能，比如催化化学反应或形成膜结构。这些功能使得一些蛋白质比其他蛋白质更有利于在原始环境中生存和增殖。
蛋白质结构中氨基酸和丙氨酸通过肽键（用方块标出）连接在一起。
但是，如何增殖呢？他们提出了一个假设，称为“模板辅助合成”（TAS）。TAS是指一种机制，其中一个蛋白质可以作为一个模板，引导另一个蛋白质的合成。
例如，如果一个蛋白质具有周期性的结构，比如一个螺旋或一个环，它可以吸附一些与它相似的氨基酸，并将它们排列成一个相同或相反的模式。然后，这些氨基酸可以通过化学键连接起来，形成一个新的蛋白质链。这样，就可以复制出一个与原始蛋白质相同或互补的副本。
TAS可以解释如何从蛋白质开始实现信息复制和传递。如果两个互补的蛋白质可以通过TAS相互复制，那么它们就可以形成一个闭合的循环，不断地产生新的副本。这就是科学家所说的“复制模块”，它是生命最初形式的核心组成部分。
复制模块可以在没有DNA或RNA的情况下实现指数级增长，并且可以通过变异和选择产生多样性和适应性。变异可能来自于合成过程中的错误或环境因素的影响，而选择可能来自于资源的竞争或功能的优势。
当然，并不是所有的蛋白质都能进行TAS。事实上，科学家认为只有一小部分特殊的蛋白质具有这种能力，并且它们可能是通过随机聚合过程产生的。他们将这些特殊的蛋白质称为“原始tRNA”，因为它们与现代细胞中的tRNA具有惊人的相似之处。
tRNA 和 mRNA 在蛋白质合成中的相互作用。
tRNA是一种短小而复杂的RNA分子，它具有一个特定的三维结构和两个功能区域：一个是抗原码区域，可以识别并结合特定的氨基酸；另一个是反密码子区域，可以识别并结合mRNA上的密码子。
显示酵母中苯丙氨酸-tRNA 结构的 3D 动画
tRNA是连接mRNA和蛋白质的桥梁，它们使得遗传信息可以被翻译成功能分子。科学家认为，原始tRNA是tRNA的祖先，它们也具有两个功能区域：一个是模板区域，可以通过TAS复制另一个原始tRNA；另一个是催化区域，可以催化一些简单的化学反应。原始tRNA是连接蛋白质和信息的桥梁，它们使得功能分子可以被复制和传递。
科学家的假设是基于实验和理论的证据。他们在实验室中合成了一些原始tRNA样的分子，并观察到了它们之间的TAS行为。他们还开发了一个计算机模型，模拟了原始tRNA在不同条件下的演化过程。他们发现，原始tRNA可以形成复制模块，并且可以产生多样性和适应性，从而促进了生命的起源和进化。
结论
蛋白质是生命最初出现时的主要形式，它们通过TAS实现了信息复制和传递。原始tRNA是连接蛋白质和信息的关键分子，它们也是现代tRNA的祖先。他们的假设为生命起源的鸡与蛋问题提供了一个可能的解决方案：既不是鸡也不是蛋，而是鸡蛋。
参考
- Ludwig-Maximilians-Universität München. (2021). Origin of life: The chicken-and-egg problem. ScienceDaily. Retrieved from https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210302094102.htm
- Dill, K., & Ghosh, K. (2019). The physics of protein evolution. Physics Today, 72(2), 38-44. doi:10.1063/PT.3.4137
- Ghosh, K., & Dill, K. A. (2019). What is the physics of life?. Reports on Progress in Physics, 82(12), 126601. doi:10.1088/1361-6633/ab3a0a
- Ghosh, K., & Dill, K. A. (2017). Cellular proteomes have broad distributions of protein stability. Biophysical Journal, 113(4), 895-903. doi:10.1016/j.bpj.2017.07.012
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