
现存的 RNA 自我复制本就不限定在细胞内进行。RNA 发挥催化活性,需要的是一定范围内的温度、酸碱度、材料之类,而不是非要有个细胞。镁离子等物质有助于稳定 RNA 的结构。
将 RNA 世界假说表述为地球生命起源于核酶,大概会让一些读者不满:你需要前生命化学来解释这些 RNA 是怎么产生的。
对于 RNA 复制,双链 RNA 不易操作,需要找到让其分离为单链的方法。近年来,一些研究考虑酸碱度对双链 RNA 分离的影响。2025 年 5 月发表的一篇文章称,在酸性的水中加热 RNA,可以有效地分离双链 RNA;那之后将溶液的酸性中和并冷冻,在冰晶间的液态微区里,三核苷酸三磷酸(三联体 RNA)会覆盖单链 RNA、防止它们重新结合成双链 RNA,这些三联体可以作为 5TU/t1 聚合酶核酶(体外进化产生的核酶,材料是 RNA,可用 RNA 二联体、三联体作为底物)进行 RNA 复制的底物。经过反复的冻融循环,在酸碱度、温度、浓度梯度的作用下,RNA 可以持续地由 RNA 催化进行复制,随机引物与底物搞出了新的序列,催化所用的 5TU/t1 聚合酶核酶亦可在这种条件下复制自己的一些片段。
今后,进一步研究大概会找到更擅长进行自我复制的 RNA,找到用原始地球的条件产生这种 RNA 的过程。
关于地球生命的起源:
看起来,原始地球上的一些粒子在太阳辐射等影响下发生化学反应,一些产物积累起来、形成自我维持的化学反应网络,一些分子发生了自我制造过程,多种分子结合、形成特定的耗散系统。在适当的热力学自由能支持下,这些耗散系统能够相对稳定地、高密度地储存若干信息,能够将储存的信息用于新陈代谢,能够在自我制造的过程中发生各种错误、经历广义自然选择,将熵和废热排放到太空。四十多亿年后,这些耗散系统的若干后代将其追认为生命。相关研究还在进行中。
在现有的关于化学进化的实验里,最简单的自我制造分子是亚氨基二乙酸[3]。
看起来,核苷酸可以在远古地球上存在的被太阳紫外线照射、干湿交替的陆地水潭之类环境自然产生。可以参考我回答过的:帮孩子问:生命起源是从海水开始还是淡水?
实验显示,核苷三磷酸可以在镁铁火山玻璃上自组织成 RNA 链[4]。如此形成的 RNA 链长约 90 到 150 个核苷酸。这达到 2012 年 Joyce 提出的进行演化需要的可能长度(50 到 5000 个核苷酸)。
持续潮湿的环境对蛋白质、核酸链等并不友好。地球生物的自然起源可能需要时常干湿交替的浅水或陆地,或是靠岩石微区室提供遮蔽。
关于有机化合物的出现:
在实验室,萨瑟兰和其他科学家加热简单的碳基化学物质,用紫外线照射并间歇性地干燥它们,产生了 RNA、DNA、蛋白质等[7] [8] [9]。化学家尚未在模拟海水的条件下合成如此多样化的生物分子,大量的水和远比钾多的钠对这些分子不利。地球生物可能起源于反复干涸的浅海与池塘。这有助于太阳辐射影响生物分子的手性偏差。
2025 年,一篇文章提出,水雾中的带电水滴之间的放电可以诱发小规模化学反应来制造有机分子。这些水滴落在岩石上,有机分子会积累在岩石缝隙里、经历干湿交替。这需要的水深接近零。
水滴在空气中破裂或受到冲击、振动后发生电荷分离并带电的现象由菲利普·勒纳德第一个进行科学描述,后称勒纳德效应。通常情况下,较小的水滴带负电,较大的水滴带正电。这些水滴间可以发生微小的放电现象。
实验显示,将水滴喷入甲烷、二氧化碳、氨气、氮气组成的混合气体里,可以靠上述微小放电形成具有碳-氮键的有机分子。
https://doi.org/10.1126/sciadv.adt8979
水微滴的气液界面、固液界面具有与体相水不同的热力学性质,能够进行一些和体相水不同的化学反应,能够将体相水中的一些化学反应加速四个数量级,能够自发进行一些氧化还原反应、产生一些高反应性的分子并为其他反应提供能量。在原始地球上,这可能有助于一些有机分子的产生。
可以看看关于水微滴产生过氧化氢的文章:
Bogot, A.; Poline, M.; Ji, M.; Dochain, A.; Simonsson, A.; Rosén, S.; Zettergren, H.; Schmidt, H. T.; Thomas, R. D.; Strasser, D. The mutual neutralization of hydronium and hydroxide. Science 2024, 383, 285.
Asserghine, A.; Baby, A.; N’Diaye, J.; Romo, A. I. B.; Das, S.; Litts, C. A.; Jain, P. K.; Rodríguez-López, J.
Dissolved Oxygen Redox as the Source of Hydrogen Peroxide and Hydroxyl Radical in Sonicated Emulsive Water Microdroplets. J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI:10.1021/jacs.4c16759
关于手性:
现存地球生物主要使用左旋氨基酸、右旋糖。甘氨酸非手性,现存地球生物体内还有更多非手性分子。
地球生物使用的氨基酸的手性偏差与来自陨石的一些氨基酸有相似之处。不同手性的氨基酸在紫外圆偏振光照射、溶液反复浓缩等过程中有不同的举动,小的偏差可被后续过程放大。相关问题还在研究中。
许多现存细菌的细胞壁含有右旋氨基酸。已发现能利用左旋葡萄糖的细菌 Paraburkholderia caryophylli。
实验显示,L-DNA 可以和 D-DNA 在活细胞内连接,二者组成的复合链不稳定但可用。
太阳辐射驱动的光化学反应可以产生或破坏多种重要的前生命化学物质。圆偏振化的太阳光(尤其是其中的紫外线)可以选择性促进一些有机分子的光解并保留其对映异构体。抵达早期地球表面的紫外线辐射量受早期地球大气成分和年轻太阳的性质影响。早期地球大气几乎不含臭氧,晴天地表紫外线通量可能比现在高几个数量级[11]。
夹带有机物坠落到早期地球上的小天体在坠落前已经长期受到太阳辐射影响,带来的有机物可能已经有手性偏差。
历史上,人们探讨过更多可能性:地磁场、弱相互作用(贝塔衰变产生的电子的照射、Z 玻色子的影响之类)、化学反应中的自发对称性破缺、结晶的自发对称性破坏、石英等手性矿物表面上的不对称吸附、上一代恒星形成的磁白矮星的磁场,诸如此类。磁白矮星可以提供约 10% 到 17% 的手性偏差,这或许影响了形成太阳系的星际物质。其余过程产生的手性偏差在数量级上太小,很难期待对地球生物分子的同手性有误差以外的贡献。
