一、贝尔纳的难题

先有鸡还是先有蛋的问题，早在古希腊时代就已提出。蛋是鸡生的，鸡是从蛋中孵化出来的。没有鸡蛋，鸡不能从天而降；而若没有鸡，鸡蛋又从何而来？究竟是先有鸡，还是先有鸡蛋呢？令人困惑的鸡与蛋的问题迷茫了人类数千年。

有趣的是，随着人类对自身存在的世界的认识不断深入，人们惊奇地发现：核酸和蛋白质之间，也存在着同样的关系。核酸的复制需要酶这样的蛋白质，而蛋白质的合成又需要核酸作为模板。那么，倘若一直上溯到生命的起源，核酸和蛋白质到底是谁先存在呢？

这是一个曾让“内行”们犯难的“小问题”。早在50年代，英国大科学家贝尔纳应邀在原苏联的莫斯科大学作学术报告时，贝尔纳谦虚地当众就此问题向原苏联的生物化学家奥巴林寻求答案。当时，奥巴林急红了脸，羞愧回答：“无可奉告"。几十年过去了，科学家们对此问题的议论依然众说纷纭，莫衷一是。

二、斩不断，理更乱，好大的谜团！

核酸与蛋白质是两类重要的生物高分子化合物。以前我们知道，它们有着完全不同的生物功能。对地球上的所有生物来说，其基本物质单位是一个个细胞。细胞要繁殖，就先要把自己的遗传物质原原本本地照样配制一套出来，然后分成两个细胞。每个细胞再依照遗传信息的指示，制造出应有的生化物质，繁衍生长。遗传物质是一类化学物质，我们称之为核酸。核酸内载决定“龙生龙凤生凤"的大量遗传信息。它们是以核酸、碱基、糖和磷酸组成的，核苷酸为基本单位的有机高分子。糖为核糖的叫RNA，是脱氧核糖的叫DNA。RNA的主要功能是携带遗传信息和参与遗传信息的表达，蛋白质的生物合成。

现在已经清楚，生物体中是以DNA为“模板”合成RNA，再根据RNA合成蛋白质。从DNA到RNA产生的过程叫转录，从RNA到蛋白质合成的过程叫转译。从这两个过程，我们还不能断定先有核酸后有蛋白质。因为，转录、转译以及细胞分裂时DNA完成复制的过程，酶都起着催化作用。而酶的属性是蛋白质，正确的理解应该是：以核酸为基础，在酶的参与下，完成了蛋白质的合成。科学家将此法则称为中心法则。

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就无法自我复制或相互转录。

既然酶在核酸合成中一直起着催化作用，那么是否意味着先有蛋白质——酶，后有核酸的呢？

事实上，没有核酸，单有酶是无济于事的，甚至连酶本身也产生不出来。因为酶的合成需要核酸作为“模板”。那么，蛋白质（酶）与核酸（DNA、RNA）在生命形成过程中，究竟孰先孰后呢？在相当长的时间内，这个问题就像鸡和蛋谁先谁后一样，是个哑谜！

三、RNA作为催化剂的发现

这个哑谜的关键是，科学家们曾认为核酸有遗传信息而无催化作用：而蛋白质（酶）有催化作用却无遗传信息。

1978年，美国耶鲁大学的生物学家悉尼 · 奥尔特曼（Sidney Altman）在纯化大肠杆菌核糖核酸酶P时有了新的发现，其中有一种RNA是细胞催化反应所必需的。当时，他连自己都几乎不相信这一重大发现。成果发表后，整个科学界也很难接受他的理论。

1982年，美国科罗拉多大学的化学与生物学家托马斯 · 切赫（Thomas. R. Cech）在研究原生动物四膜虫时发现，刚转录下来的“前体核糖核酸”，在一定条件下能够自发地催化其切割和剪接反应。它切除一段核苷酸链，再将切头两端连接成为成熟的核糖体核糖核酸（rRNA）分子，从而导致自身长度的缩短，如果忽略它不是蛋白质这一事实，这种RNA的种种行为完全符合酶的定义。它与蛋白质（酶）的唯一不同在于：酶是作用于其它分子，而这种RNA是作用于自身。这是人类第一次发现除了蛋白质之外第一个不属于蛋白质的酶，切赫把它称之为Ribozyme，即RNA酶（或RNA催化剂）。由于过去人们一直认为酶一定是蛋白质，所以这一发现颇为引人注目，被认为是分子生物学领域近年来最令人感兴趣的进展之一。

但是，这种观点曾引起一些学者的非议，诘难之点在于：根据酶学定义，在催化反应前后，酶自身不应该起什么变化。而四膜虫的前体核糖核酸，在反应后会释放出一段由413个核苷酸组成的“插入序列”，转变为成熟的rRNA。同时，它将丧失原有的催化活性。由此看来，它和典型酶相比较，尚存在较大的区别。因此，一些人不同意把传统的由蛋白质霸占的“酶”标签，轻易地贴到RNA身上。

1983年底，奥尔特曼和切赫经深入研究，终于获得有力的证据，表明RNA确实具有酶的催化活性。他们发现前体核糖核酸是由蛋白质和RNA两部分组成，其中RNA部分占83%，蛋白质部分占17%。它能从大型前体RNA合成成熟的tRNA分子时催化某种特定的卵裂反应。奥尔特曼小组在70年代就提出前体核糖核酸具有RNA和蛋白质组分，而这种组分正是催化活性的基本成分。他们意识到，RNA可能会识别前体核糖核酸的RNA底物。当然，一开始并未认识到有值得重视的催化作用。1986年，切赫小组又发现，从四膜虫核糖体RNA前体上切割的部分RNA，具有与蛋白质酶相同催化活性，在由这种RNA催化的各种反应中，由五联胞苷酸底物合成的多胞苷酸与RNA聚合作用极为相似。近年发现，许多种RNA都能催化其他分子而不是本身，从此，RNA酶就完全符合酶的定义了。

四、答案虽无定论，疑团渐已解开

RNA催化作用的发现，表明了RNA除了能贮存遗传信息外，还能完成催化反应。这为生命起源的研究，开辟了新的前景。人们设想，第一个生物催化剂实际上不是蛋白质，而是RNA分子，它可以构成原始的基团。这些早期的RNA能催化它们自身增殖，并且不需要先形成酶而合成蛋白质。可能当初它们的催化效率很低，而一旦有了蛋白质，产生了更有效的酶类，那么RNA的作用将减小。这样看来，核酸的合成早于蛋白质不是不可设想的。

奥尔特曼和切赫的开创性研究，对最终揭开生命之谜有深远的意义，并将导致一系列国际应用。为此，两位研究者荣获了1989年诺贝尔化学奖。

五、RNA酶作为催化剂的化学本质

自从第一个RNA酶被发现并命名后，至今已发现了几十种RNA酶。按其作用方式，可分为切割型和剪接型。切割型的是只切割不剪接，而剪接型的却即剪接又切割，无论是切割还是剪接，所有的切割——连接反应都是转酯基作用，即酯交换过程。

RNA酶可分为自体催化和异体催化两大类，绝大多数RNA酶以自身为底物，进行自体催化（即进行自我切割或自我剪接）。而异体催化则是以其它分子为底物，可以是不同的RNA，也可以是其它分子。

那么，RNA作为催化剂的化学本质又是什么呢？近年研究发现，磷酯基团在其中充当了重要角色。作为遗传物质的DNA和RNA是磷酸二酯，磷酯基团是连接核酸的桥连基团，它之所以被大自然选为核酸的桥连基团，是因为它既能桥连两个核苷，又能保证电离，电离产生的负电性不仅能防止水解以保证二酯键的稳定性，还可使该分子保留在磷脂膜所限定的范围内。Ribozyme催化机理是一种磷酰基作用下发生的自发反应。磷酰基团的特殊功能与磷原子的原子结构有密切关系。由于磷原子中的3S轨道、3p轨道以及3d轨道的能量较为接近，易相互杂化形成多种杂化轨道，如3P3、3P3d、SP3d2等，具有形成4、5、6条化学键的能力。核酸中的磷酯基团具有五配位结构，由于磷原子具有较多可利用有空电子轨道，配位数较多，各化合价态间在一定条件下较易相互转化，使得该磷酯基团上的磷极易受亲核试剂的进攻，从而导致一系列亲核反应。RNA酶的催化过程，就是发生在磷原子上的一系列亲核反应，其中最主要的亲核基团是羟基——OH。

当然，RNA酶的发现并没有动摇蛋白质酶在生物催化过程中所处的主导地位，但它却为生命起源的探讨点亮了又一盏明灯。

六、生命起源又有新说

最近，英国德贝市总医院的一位微生物学家对生命起源提出新的假说。他认为：生命的起源比人们想象的简单得多。RNA是由核苷酸螺旋股构成的，每个核苷酸由四个碱基即腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）组成。当RNA股向后折曲，每隔3个核苷酸就有隙口开启。这种新形状当有RNA被附着在一固体粒子上时，便会保持下去。每个隙口有3个碱基于边界上，这些隙口每一个所具有的碱基，形成一种只接收一种类型的氨基酸的形状，其它氨基酸接合不上。该模型的建立，详细而又形象地描述了氨基酸与RNA上3个碱基密码子之间的空间关系。可解释很多当代遗传密码“规则”。例如，三重碱基给出一不重叠密码，因此像AAAGGG顺序是只能读成AAAGGG，而不能读成AAG或AGG。由裂隙和其附着的氨基酸形成的64种可能构成的密码子之间的关系与遗传密码是相同的，并一直延伸到“终止”和“起始”码，以及一些氨基酸的多重编码。例如，由碱基UGG形成隙口只能接受色氨酸，而则UAA碱基为边界的隙口不能接受任何氨基酸，因而它具有终止密码子的作用，使链到此为止。研究者认为，每道隙口会截住原始混沌物原中的氨基酸，随后这些氨基酸结合在一起而形成蛋白质。初始蛋白质的形成在化学进化上是重大的关键一步，因为这些蛋白质比起像RNA这类分子具有更大的催化动力。如果出现了这一形式的RNA小片段而又具有产生有助于RNA更加快速复制一种酶，那么就能得到该RNA的更多的复制品，而这样一来又能产生更多的酶。此体系于是开始进化，随后RNA中的信息就会有较多的机会存活并延续到后代。RNA中的突变为新顺序的氨基酸形成新的蛋白质酶提供了机会，而这将带来分子相结的新组合，从而加速进化，目前，这项理论尚未得到验证。下一步是要验证RNA是否真能在一些表面形成这一形式。在这里，理论超前于实验，但是如果一切都正确的话，那将是一大变革。

当然，生命起源及演化的问题是一个需要几代人甚至几十代人去努力探索的问题。核酸与蛋白质孰先孰后，仍旧是一个永久的话题。