RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

我们所熟知的生命建立在两种截然不同的分子之间的伙伴关系之上。其中一类是核酸，它们充当生命的图书馆，存储着构建其他一切的指令。另一类是蛋白质，它们充当劳动力，执行维持细胞生存和增长的化学任务。几十年来，科学家们一直对这种伙伴关系是如何开始的感到困惑。主流观点，即所谓的“RNA世界假说”，认为生命最初仅由其中一种参与者组成：RNA，它既能存储信息，又能执行某些化学工作。然而，这种观点难以解释单一分子如何能够完美地兼顾这两个角色，以至于足以开启一个能够生存并进化的谱系。另一种可能性是蛋白质先出现，但它们缺乏可靠复制自身的能力。核心问题仍然存在：这两种截然不同的系统是如何合力创造出第一个生命细胞的？

史泰文布鲁克大学（Stony Brook University）的两名研究人员，Mohamed Swailem 和 Ken A. Dill，提出了一种思考这一起源故事的新方法。他们不再追问哪种分子先出现，而是询问这两者如何从一开始就能帮助彼此生存。他们的研究表明，关键不在于其中任何一种分子的完美，而在于一种分工协作，使它们能够通过“引导启动”（bootstrap）来促成彼此的存在。通过结合两者的优势，他们认为，即使个体部分远非完美，生命也能得以涌现。

为了理解他们的推理，有助于观察进化作为一个试错过程是如何运作的。想象一个简单的、自我复制的分子种群。偶尔，在复制过程中会发生错误，产生一个新版本。如果这个新版本更擅长生存或进行复制，它就会变得更加普遍，而较弱的版本则会消失。这就是自然选择的引擎。但为了让这个引擎运转，必须有两件截然不同的事情发生：一种产生随机变化的方式（试验），以及一种测试哪些变化更好的方式（误差）。研究人员认为，我们细胞中的这两类分子非常适合承担这些不同的职责。

核酸（如 DNA 和 RNA）是僵硬且稳定的。它们的结构允许它们存储信息而不轻易受周围环境的影响。它们是优秀的蓝图，能够携带指令而不改变指令。然而，它们并不擅长从事化学工作。相比之下，蛋白质是灵活且多样化的。它们折叠成复杂的形状，使其能够作为工具，加速反应并构建结构。但是，蛋白质不擅长存储信息；它们难以被准确读取和复制。在研究人员看来，进化需要一个系统，在这个系统中，“蓝图”可以进行无偏见的随机改变，而“工具”可以接受关于其对系统增长之帮助能力的测试。

作者建立了一个计算机模型，以测试这两种分子相互作用时会发生什么。他们从一种情形开始：即没有任何一种分子能很好地胜任其职。核酸在自我复制方面不够准确，而蛋白质在协助这种复制方面也表现不佳。在一个这些分子单独行动的世界里，它们只会逐渐消亡。模型显示，如果没有帮助，这些分子种群会不断萎缩，直到消失，无法克服其分解或稀释的速度。

然而，当研究人员允许这两种分子协同工作时，结果发生了戏剧性的变化。在他们的模型中，蛋白质帮助核酸更有效地进行自我复制，而核酸则提供制造蛋白质的指令。这创造了一个反馈循环。即使复制是不精确的，且蛋白质的帮助程度也只是中等水平，这种结合也让系统得以增长。研究人员发现，这两种分子可以互相拯救。如果一个核酸在复制方面表现不佳，只要它与一个在辅助方面表现极佳的蛋白质配对，它就能生存下来。反之亦然，如果一个蛋白质效率不高，只要它与一个准确性很高的核酸配对，它也能持续存在。

这种关系就是研究人员所称的“帕累托前沿”（Pareto front），这是一个描述可以利用一种优势来交换另一种优势的情况的概念。在他们的模拟中，他们发现了一个清晰的边界，划分了分子走向灭绝的世界与分子蓬勃发展的世界。在线的一侧，分子太弱而无法生存；在另一侧，它们形成了一个共同成长的协作单元。最令人震惊的发现是，这种转变并不要求两种分子都达到完美。它只要求它们在一起时足够好。模型表明，一个拥有较差核酸和强力蛋白质的系统，与一个拥有强力核酸和较差蛋白质的系统一样可以生存，只要它们是相互关联的。

研究人员还观察了这些系统能持续多久。他们发现，单一分子单独行动时，寿命非常短暂。它会迅速降解，并且由于缺乏准确复制自身的方式，其谱系几乎会立即终结。但当这两种分子合力时，整个系统获得了更长的寿命。这些协作单元的谱系可以持续很长时间，远比任何单一分子能生存的时间都要长。研究人员将这种持久性视为生命的真正开端：即从短寿的化学反应向长寿的谱系的转变，而后者是可以进化的。

该模型挑战了生命必须始于一个能做一切事情的单一、完美分子的观点。相反，它表明生命始于一场伙伴关系。研究人员认为，从化学到生物的转变不是一次向完美的突然跃迁，而是一个渐进的过程，在这个过程中，两种不完美的系统学会了依赖彼此。蛋白质提供了功能上的适应性，帮助系统增长和适应，而核酸提供了遗传性，确保成功的组合能够传承下去。

作者谨慎地指出，他们的工作是一种模拟，是关于这些动态机制如何运作的数学探索。他们并不声称发现了开启生命的精确历史事件，而是展示了一种合理的物理机制，使得生命的起源变得更加可能。他们的模型证明了“艾根悖论”（Eigen paradox）——即你需要好的蛋白质来制造好的核酸，又需要好的核酸来制造好的蛋白质，从而形成一个死循环——可以通过合作来解决。通过分担负担，这两种分子可以克服阻碍其中任何一方独立成功的局限性。

最后，这篇论文提供了一个宁静而有力的洞见：生命的起源可能不在于寻找一个单一的、奇迹般的分子。它可能在于两种不同类型的分子找到了一种结合在一起的方式。一种提供了记忆，另一种提供了肌肉。在一起，它们创造了一个大于其部分之和的系统，使得第一批谱系能够持续足够长的时间，从而进化成我们今天看到的复杂生命。研究人员总结道，这种分工——即一种分子存储计划，另一种分子建造机器——不仅是现代生命的特征，也是使生命成为可能的基石。