“鸡与蛋”，孰先孰后

3. “鸡与蛋”，孰先孰后？

古老命题赋新意

关于生命的起源是人们从古至今一直在探索的问题。许多人都知道这样一个古老的命题：鸡蛋，是鸡的产物，而鸡又诞生于鸡蛋之中。没有鸡蛋，鸡不能从天而降，而没有鸡，鸡蛋又不可能凭空得到。那么，究竟是先有鸡，还是先有蛋呢？这个有趣的命题已困扰人类数千年。随着人类对自身存在的世界认识的不断深入，随着生物化学的迅速发展，越来越多的类似于“鸡与蛋”的现象摆在了人们面前。

作为化学重要分支学科的生物化学是关于生命现象的化学本质的科学。它主要是研究生命物质的化学组成、性质、结构和功能等静态问题；还研究生物体内各种化学物质在体内怎样变化、怎样相互转化、怎样相互制约及在变化过程中能量转换等动态问题。在此基础上进而研究各种生命现象（例如生长、发育、运动、适应、遗传、变异等）的化学本质。

20世纪以前的生物化学主要是从生理和病理的角度进行研究，20世纪以来，逐渐从整体水平上的描述性生物化学发展到细胞和亚细胞水平。由于化学方法不断进步，对于确定生物体的化学成分、性质和结构的认识与合成，效用十分显著。同时，由于各种物理方法的发展和应用，在生物体物质代谢的研究上获得广泛应用，大大促进了生物化学的诞生和发展。另一方面，农业、畜牧、医学、食品工业、发酵工业的进步，也有力地推动着生物化学的发展。在生物化学的建立和发展过程中，对蛋白质和核酸的研究，成为生物化学不断取得进展的重要标志。

核酸、糖类和蛋白质是生物体的三大基本要素。蛋白质约占人体干重的一半，是建造细胞或组织器官的基本材料。恩格斯早在19世纪后期就曾指出：“生命是蛋白体的存在方式。”^[5]蛋白质的代谢和功能是生命过程的重要环节。核酸，有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两种。核酸中储存着生命体的全部遗传信息，对生命的发育、繁殖和遗传起着关键作用，是构造一切生物有机体的总设计师。糖不仅为生物有机体提供建筑材料和能量来源，而且还是高密度的信息载体，具有重要的细胞识别能力。研究这些生命物质的结构与功能的关系，将帮助人们从分子水平上了解生命现象的化学本质。

核酸DNA、RNA的功能是贮存、传递和表达生物体的遗传性状，而蛋白质则可以被视为一种分子机器，它可以精巧地完成生命特定的功能，能催化成千上万的化学反应，即起着酶的作用。蛋白质与DNA、RNA之间存在着千丝万缕的联系，这一点从遗传信息传递的中心法则（图2-2）可窥其一斑。由于生命活动是通过蛋白体来表现，所以生物的遗传特征实际上是通过DNA→RNA→蛋白质过程传递的。这样，蛋白质与核酸之间也就出现了“鸡与鸡蛋”的类似现象。没有DNA和RNA，就无法进行蛋白质的生物合成，而没有酶（蛋白质），DNA和RNA无法自我复制或相互转录。人们不禁要问：蛋白质（酶）与核酸（DNA、RNA）在生命形成过程中究竟孰先孰后？

图2-2　蛋白质与RNA、DNA的联系（中心法则简示）

RNA作为催化剂的发现为回答上述问题提供了新启示。

核酸性酶的发现赢得了诺贝尔奖

1989年，瑞典皇家科学院把本年度诺贝尔化学奖授予美国科罗拉多大学的托马斯·切赫（Thomas Cech）和耶鲁大学的悉尼·奥尔特曼（Sidney Alt man），以表彰他们各自独立地证明了核糖核酸能作为化学反应的催化剂。

切赫和奥尔特曼的开创性工作是发现某些RNA分子可以在不需要任何其他物质的帮助下进行自身的切割、断裂和装配，本身可以起到传统概念中酶的作用。他们的工作引起了分子生物学家和化学家的极大兴趣。

切赫的重要发现始于1982年，他与他的同事们对从原生动物四膜虫中提取出的RNA进行了研究。这种被提取出的RNA能自发地催化其切割和剪接过程，从而导致自身长度的缩短。一年后，奥尔特曼的工作进一步证明了这些性质。如果忽略它不是蛋白质这一事实，这种RNA的诸多行为完全符合酶的定义。催化RNA分子的发现很快被世界各国科学家所接受，一个新的概念——核酸性酶（Ribozyme）也正式出现在各国文献上。

核酸性酶的发现有着重要的意义。首先，它突破了“酶是蛋白质”的传统概念。自从60多年前苏默（Summer）首先结晶了脲素酶，并证明这个结晶蛋白能催化脲素水解以来，很多酶被纯化，而且都是蛋白质，于是酶被定义为“生物催化剂是一种称作酶的特殊蛋白”，“使代谢进程加速的生物催化剂”。核酸性酶的发现无疑会对传统的酶和催化理论产生巨大的冲击。其次，核酸性酶的发现为科学家们普遍感兴趣的生命起源的认识点亮了又一盏明灯。长期以来，人们对生命起源中是先有蛋白质还是先有核酸争论不休。核酸分子含有合成蛋白质的氨基酸序列的信息，而蛋白质（酶）又是在核酸修复、转录、剪接、翻译等所有环节中必须存在的。因此谁先谁后的问题就像“鸡与鸡蛋”的问题一样令人困惑。现在这个问题可以解释为，最先的催化性物质可能是RNA分子而不是蛋白质；与此同时，RNA还起到遗传物质的作用。随着越来越多的蛋白质经过可令人信服的前生物方法被合成出来后，由于蛋白质酶的催化能力远强于RNA，因此RNA的催化作用逐渐被蛋白质酶所替代。同时，切赫等的发现也为促进一门新的技术“基因剪切”的形成奠定了基础，这种技术将为生物技术人员对付病毒和调整基因无序提供武器。

赵玉芬教授的新观点

在人类对于生命起源和生命科学的探索中，中国科学家也取得了令人瞩目的成果。中国科学院院士、清华大学化学系赵玉芬教授就是其中的代表人物。

赵玉芬教授长期从事有机磷化学和生物有机化学的研究，这是有机化学分支学科的两个活跃的前沿领域。在有机合成实验方法、反应机理、有机磷试剂的应用、磷的生物活性调控机理以及磷元素在生命化学过程中的作用等方面的研究中均取得了重要成果。她首先在新型有机磷试剂的合成和应用方面崭露头角，以二烷基亚磷酸脂作为胺基的保护试剂，在国际上首次成功地实现了N-烷基、N-磷酰氨基酸的分子内傅氏反应，并在1983年的法国尼斯召开的第9届国际磷化学会议上宣读了学术论文，受到各国专家的热烈祝贺，论文多次被美、日、德、俄等国的化学家在公开发表的论文中引用。随后，她又在有机磷化合物的反应机理研究方面，用核磁共振碳谱、磷谱、FAB—MS（快速原子轰击—质谱）和HPLC（高效液相色谱）等先进测试手段并借助巧妙设计的实验方案，成功地跟踪了有机磷化物的碘诱导环化反应，在国际上首次观测到有机磷化物的二碘加成物和磷盐这两种反应中间体，并测定了它们随反应而消长的历程，总结出对环合影响的主要结构因素，在此基础上提出了一种新的亲电诱导环化反应机制。这一研究论文于1986年在波恩举行的第10届国际磷化学会议上宣读后，获得大会主席的高度评价。1987年，有机化学界提出：“为什么大自然要选择磷？”赵玉芬在国际上第一个作出反应，于1988年10月，在日本九州大学举行的第三届国际物理有机化学会上，创造性地提出了“磷是生命化学过程的调控中心”的新学术观点，指出：“磷元素调控生物分子活性的功能——就像‘站’之功，其作用如同飞机场的中央控制室。”赵玉芬独具特点的研究路线和研究思想，受到国内外同行的高度重视。同时，她还把20种稳定的天然氨基酸与磷接起来，生成一种新物质——微型活化酶，并发现它们能够产生仿生物反应，进一步证明“磷酰基参与反应是生命化学的关键”的新观点，这具有意义深远的学术价值。

1992年，当赵玉芬被增选为中科院学部委员（现称院士）时，年仅43岁，是当时新当选学部委员中最年轻的一个。阐明生命起源和生命过程本质，是21世纪自然科学的重大使命之一。大家期待着这位科坛女杰在把有机磷化学跟生命化学连接起来的事业中取得新的成就。