细胞起源机制（生命起源细胞和病毒）

人类有个困惑千年的逻辑难题就是鸡生蛋还是蛋生鸡？这个问题在大多数情况下体现出一种逻辑诡辩的意涵，不过从科学角度如果认真思考的话，这个问题还是有意义的，因为其本质是在问生命的起源在哪里？而生命起源的问题则是到目前仍然没有确切答案的，故此鸡生蛋问题也就迄今无解。今天我们就为大家聊聊生命起源问题中的两个话题：细胞和病毒。

细胞

细胞和病毒是我们经常听到的两个词，但是多数人可能并不完全准确的知道其含义。一般认为，细胞是生命的最小单位，是最简单的生命存在形式。除病毒外所有的已知生命都由细胞构成。其结构是外包一层磷脂细胞膜，里面是细胞质和细胞核，细胞质中有线粒体，负责将营养物质氧化产生能量，细胞核中是染色质，遗传物质DNA就位于染色质之上。

在之前的节目中，我们已经讲过。沃森和克里克发现了遗传编码藏在DNA双螺旋结构之上，破解了生命的信息和遗传之谜；米切尔发现了细胞的膜结构形成了一种质子水坝，构建出的能量泵，并通过ATP电池在生物体内供应能源，从而解释了生命的能量问题。至此，关于生命的最基本单位的细胞工作和繁殖原理，人类已经完全掌握清楚，可以说这个成就令人赞叹。但是很自然的，另一个问题变出现了。第一个细胞是怎么形成的。这就要先说说病毒。

病毒

病毒是什么非常难以回答，甚至到今天也还没有确切统一的认识。最初人们认为病毒是一种毒性药物。病毒的英文名称便是如此得来。但是很快人们发现病毒可以实现繁殖、变异和遗传，具有生物特性，所以一度又认为病毒是一种更微小的生命。但是很快研究人员又注意到，病毒的所谓繁殖并不像典型生命体行为，不是一种自身具备的能力。病毒需要将自己的基因植入到宿主体内，然后借助宿主的繁殖能力，将自身基因复制表达出来，然后再破坏宿主离开。请注意，病毒的这种繁殖和生物的寄生关系不一样。寄生生物其繁殖仍然是依靠自身来完成的，它们只是从宿主体内获得营养物质，而病毒一旦找不到宿主就无法繁殖。病毒完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统，获取生命活动所需的物质和能量。离开宿主细胞，它只是一个大化学分子，停止活动，为一个非生命体；遇到宿主细胞它会通过吸附、进入、复制、装配、释放子代病毒而显示典型的生命体特征。所以现在对病毒的理解一般定义其为一种介于生命和非生命之间的半生命。

病毒非常微小，只有纳米级别，除了极个别巨型病毒外比细胞小很多。其结构极其简单，就是蛋白质壳体包裹着遗传物质。绝大多数病毒的遗传物质都是RNA，而不像其他生命使用DNA。RNA和DNA都是能形成长链结构的分子，故此都可以携带编码信息。但RNA相比于DNA非常容易发生突变，状态不稳定，故此从携带遗传物质所需的稳定性而言，DNA要远远优于RNA，这也是为什么绝大部分生命体都是基于DNA遗传。不过RNA相对于DNA来说分子结构更加简单，而且具有非常强的功能自洽特性。什么是自洽性，就是自我满足特性，具体来说就是如果需要构建一个实验室的环境，制造一些分子，让它们模拟一些很初级的类似生命的行为，比如繁殖、变异等等。那么只需要用若干类型的RNA分子就可以基本搞定，生命演化过程中间所牵涉的大部分物理化学功能，RNA分子都可以胜任。例如遗传物质的复制过程需要酶来催化，就有研究证明RNA的复制借助其他RNA分子就能实现催化，而DNA的复制则必须依赖其他的蛋白质酶来催化。又比如从遗传信息分子链合成蛋白质时需要剪切功能，RNA类型分子自己就可以完成，而DNA同样要靠别的蛋白质。RNA自己可以搞定自己，DNA需要依赖蛋白质，而蛋白质又是由DNA表达所生成的，所以RNA是功能自洽的，DNA是功能循环依赖的。

RNA分子结构简单而且又有功能自洽特性，因此很自然的人们就会想到最初的生命世界很有可能就是从一个由RNA分子形成的初级生命环境逐步进化来的，这就是著名的RNA世界假说。1981年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特（W.Gilbert）提出了该假说，内容主要是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复制机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。

近年来，这个假说已经越来越趋向于成为被主流学界接受的一种生命起源理论，因为有许多实验正在逐步支持这种看法。比如2009年1月，乔伊斯团队在《科学》上发表了他们的实验结果。在一个微型试管系统中，他们初始投入了24中RNA分子。这些分子处在同一个营养池中，就如同不同的生命物种在自然中相互竞争和博弈，每一种分子都希望拼命延续自己的后代，所以不断的进行复制，并在进化中产生各种变体。实验进行了100个小时，分子总数增加了1023倍。最初的RNA分子全部消失了，它们全部被进化出来的新型RNA分子所取代。请注意，这里的RNA分子都不是生命，它们更接近于生命最初出现前的非生命形态，但是这种类似生命的行为却显示出RNA世界假说的合理性。

然而即使RNA世界理论是真实的，仍然会有新的问题，那就是最初的RNA分子从哪里来。RNA世界理论并不能回答RNA分子的起源。RNA分子相对与DNA分子的确结构简单，但是和普通分子比，它的结构实在过于复杂。就像纽约大学的化学家罗伯特·夏皮罗所说：“根据化学运作原理，要形成这样一种分子绝不可能。在这个领域里，这是不可能的事。要接受这个观点，除非你相信我们有难以置信的幸运。”这就如同一阵大风吹过一堆沙子和水泥，碰巧就形成了一座房子一般。

不过我们今天并不是去深入讨论第一个RNA分子的起源，也不是去判别RNA世界假说的正确性。此处介绍RNA和DNA的区别是为了引出下面的问题，世界上先有病毒还是先有细胞？

不要以为这个问题简单，因为通过刚才的讲述，我们会发现这个问题面临着相似于先有鸡还是先有蛋的逻辑困难。一方面，既然细胞都是以DNA作为遗传物质的，病毒大部分是以RNA为遗传物质的（也有DNA病毒），而RNA又是世界的起源，那么病毒似乎应该早于细胞。然而再看另一方面，既然病毒的繁衍生存依赖于细胞，如果没有细胞，病毒如何生存，所以好像很明显的结论是细胞出现早于病毒。那究竟先有细胞还是先有病毒呢？

答案是没有统一答案。刚才说的都有道理，也都有各自对于其不利论据的一些解释。目前，在细胞和病毒的起源先后顺序上，共有三种解释。进化假说（TheProgressive Hypothesis）、退化假说（The Regressive Hypothesis）和病毒在先假说（The Virus-First Hypothesis）。第一种假说认为细胞产生早于病毒，第二种假说认为细胞和病毒同时出现，后一种则认为病毒产生早于细胞。

进化假说认为细胞作为生命基本形式出现后，其中的DNA序列有时会出现断裂，产生碎片，并被排出到细胞体外。这些基因片段大部分没有什么用处，但也有极少数具备了某种功能，从而逐步进化成了游荡在细胞外的病毒。这一说法最主要的支持证据来自于病毒携带的遗传信息和某些细胞当中的遗传信息具有明显的相似性。例如对很多基因组测序后，发现其基因组中存在与病毒基因组极其类似的转座子。这些转座子不仅在基因组结构方面相近，而且在细胞中的转录、DNA合成乃至插入宿主基因组的方式都很相似。因此病毒基因和细胞的基因片段应该有母子关系。由于认为细胞出现在先，当然就说明病毒的基因是子，细胞的基因片段是母。不过请注意，细胞先出现并非确定结论，所以如果病毒先出现的话，那就变成了病毒基因是母，细胞基因片段是子。可是细胞的基因是从上一代细胞继承来的，其片段怎么可能来自于病毒呢？有可能，因为逆转录病毒就提供了这种途径。所谓逆转录，就是把RNA翻译成DNA的过程。逆转录病毒是一种病毒类型，和一般病毒直接复制自身的RNA遗传信息不同，它有能力首先将自己携带的RNA基因反转录成DNA片段，这样就能将这段寄生DNA插入到宿主细胞的DNA序列当中。等到宿主细胞复制自己的DNA时，也就复制了一份寄生DNA。之后这段DNA再发挥作用生成新的病毒。如果在寄生DNA被复制以后，而产生作用之前，恰好宿主细胞产生了某种突变，该突变又恰好抑制了这段寄生DNA的作用。那么这段病毒DNA就尴尬了，既失去了重新变成病毒体的可能，又对细胞本身无用，于是变成了一段垃圾DNA。实际上，人体内这样的逆转录病毒形成的垃圾DNA容量占人体全部遗传信息的5%。不过，这些DNA并非后来真的不再有用，经过长时间的演化，它们虽然不承担携带生物体遗传信息的能力，却可以调节这些信息的蛋白质表达，从而影响生物体的形状。例如瑞典德隆大学JohanJakobsson及同事就发现，在进化过程中，某些逆转录病毒可以让脑细胞变得更活跃，更有活力，让人变得更聪明。

退化假说认为细胞病毒同时出现，只是病毒当时也是一种细胞，病毒的祖先细胞和寄生细胞共生在一起，存活在寄生细胞内部。久而久之，寄生细胞所具有的能量代谢能力，让病毒的祖先细胞开始变懒，慢慢开始退化，其本身不需要再具备相应的功能。最后经过漫长的退化历程祖先细胞就形成了病毒。这种说法最主要的一个支持来自于细胞内的线粒体结构，因为线粒体就是从一种共生在细胞质中的远古细菌不断功能退化形成的。经过对一些病毒与寄生细菌的基因组比较分析，其结果很大程度上支持病毒是由远古细胞退化而来的。

最后一种病毒在先的假说，最符合直观和容易理解。因为病毒更小更简单，细胞更复杂，所以生物中先产生了结构简单的病毒，病毒之后又进化出现了细胞。之前该理论面临最大的一个挑战就是病毒的生存要依赖于细胞，那么怎么可能先于细胞产生呢？而前面所说的RNA世界假说很好的回答了这个问题，在早期的非生命向生命的转化阶段，病毒是有可能独立于细胞形式之外而生存的。2003年，法国科学家发现了一种体型巨大的病毒。由于体积大，之前还曾误以为是细胞内的共生细菌。这些病毒的基因组庞大，有的竟然包括1000多个基因，甚至超过某些细菌的基因容量。这种复杂结构的病毒的存在也加强了病毒进化成细胞的可能性。

先有鸡？还是先有蛋？答案是先有细胞！先有细胞？还是先有病毒？答案很可能是先有RNA！那么RNA之前先有什么，我们还是不清楚。就算有一天人类真的能够搞清楚生命之源，可以在实验室里再现生命进化的过程，恐怕到时候又有一个更棘手的问题存在：既然我们能在实验室里创造生命，如何说明我们自己不是在一个被创造的实验室中？

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