最简单的能够复制自己的分子是什么？
在你探索生命的奇妙时，你会发现一个非常有趣的问题：到底是什么让生命能够延续，能够“复制”自己？这不仅仅是生物的专利，在分子的世界里，也存在着一些“魔法”般的分子，它们拥有着复制自己的能力，而其中最简单、最令人着迷的，或许就是我们今天的主角——RNA（核糖核酸）。
别被“核糖核酸”这个名字吓到，它其实比你想的要亲切得多。你可以把它想象成一个能工巧匠，手里拿着一套说明书，并且这套说明书本身就能指导自己“再造”出一本一模一样的说明书。
RNA的“复制”魔法：一个精巧的自制过程
让我们来拆解一下这个过程，把它想象成一个古老的工坊：
1. 一个基础模板（RNA分子本身）： 想象一下，你有一个手工制作的精美手工艺品，比如一条用丝线编织的花边。这个花边就是我们的RNA分子。它不是一个简单的珠子串，而是由一连串叫做“核苷酸”的“积木”按照特定的顺序排列而成的。这些核苷酸有四种不同的类型，就像四种不同颜色的积木（A、U、C、G），它们的排列顺序决定了RNA的“身份”和功能。
2. 寻找“邻居”和“搭档”： 现在，这个RNA手工艺品想要复制自己。它需要找到一些“自由自在”的积木——也就是游离的核苷酸，它们就像散落在工坊里的各种颜色的积木块。更关键的是，它还需要一个“搭档”，这个搭档叫做RNA聚合酶。
3. RNA聚合酶：工坊里的技艺大师： RNA聚合酶就像是工坊里经验丰富的老师傅。它不是凭空变出东西的，而是非常巧妙地利用了RNA分子本身的结构。RNA分子有一个非常重要的特性：它的核苷酸之间存在着特定的“配对规则”。A总是喜欢和U配对，C总是喜欢和G配对。这就像你编织花边时，某种颜色的线总是需要和另一种颜色的线交叉。
4. “照着做”的复制过程： RNA聚合酶会“抓住”这个原始的RNA分子（我们的模板），然后一点一点地沿着它移动。在移动的过程中，它会从周围自由的核苷酸中，找到与模板RNA上每个核苷酸“互补”的那个核苷酸。
如果模板RNA上是A，聚合酶就会在旁边抓一个U。
如果模板RNA上是U，聚合酶就会抓一个A。
如果模板RNA上是C，聚合酶就会抓一个G。
如果模板RNA上是G，聚合酶就会抓一个C。
它就像在照着模板的“样子”来挑选和放置积木，只不过它放置的积木是对模板“相反”的（互补的）。
5. 形成新的链条： 随着RNA聚合酶的移动，它会将这些新挑选来的核苷酸一个个连接起来，形成一条新的、与原始RNA链“互补”的链条。你可以想象成，你用线对照着原始的花边，又编织出了一条“镜像”般的花边。
6. 双链到单链的“分离”： 很多时候，刚开始形成的复制链条会和原始模板链暂时“黏”在一起，形成一个双链结构。但RNA的复制过程通常不需要这个双链结构长期存在。随着复制的进行，或者在特定的条件下，这两条链就会分开了。而我们得到的就是一条新的、与原始RNA一模一样的RNA分子。
为什么说RNA是“最简单”的？
无需DNA的辅助： 你知道，我们身体里绝大多数遗传信息的复制，都需要DNA这个更复杂、更稳定的分子作为蓝图，并且还需要一套更庞大、更精密的复制机器。但RNA，在某些情况下，它自身就能催化（就像是驱动）这个复制过程，或者与相对简单的“搭档”（RNA聚合酶）就能完成。它不需要DNA那样双链的稳定结构来确保信息的精确传递。
“RNA世界”的猜想： 科学家们有一个很重要的猜想，叫做“RNA世界”假说。这个假说认为，在生命起源的早期，DNA和蛋白质还没有像今天这样分工明确，RNA可能同时扮演了传递遗传信息（像DNA）和催化化学反应（像蛋白质）的角色。而RNA能够自我复制，正是支撑这个假说的一个非常重要的证据。这意味着，在生命的最初阶段，这种简单的自我复制能力，很可能是驱动生命演化的关键。
更进一步的思考：
当然，RNA的“复制”并不是像复制一份文件那样完美无瑕。在这个过程中，也可能出现“错误”，就像手工编织时偶尔会打个结或者串错颜色一样。这些错误，也就是突变，正是生命多样性的来源之一。
你可以把RNA的自我复制理解成一种非常古老、非常基础的“基因”的延续方式。它不需要像DNA那样复杂精密的“复制工厂”，只需要一个“模板”和一些“原料”，再加上一个能够理解“配对规则”的“助手”，就能完成这个生命的原始冲动——“复制自己”。
所以，下次当你想到生命时，不妨想想那些微小的RNA分子，它们在生命黎明的舞台上，就用如此简单而又充满智慧的方式，播下了生命能够生生不息的种子。
别被“核糖核酸”这个名字吓到，它其实比你想的要亲切得多。你可以把它想象成一个能工巧匠，手里拿着一套说明书，并且这套说明书本身就能指导自己“再造”出一本一模一样的说明书。
RNA的“复制”魔法：一个精巧的自制过程
让我们来拆解一下这个过程，把它想象成一个古老的工坊：
1. 一个基础模板（RNA分子本身）： 想象一下，你有一个手工制作的精美手工艺品，比如一条用丝线编织的花边。这个花边就是我们的RNA分子。它不是一个简单的珠子串，而是由一连串叫做“核苷酸”的“积木”按照特定的顺序排列而成的。这些核苷酸有四种不同的类型，就像四种不同颜色的积木（A、U、C、G），它们的排列顺序决定了RNA的“身份”和功能。
2. 寻找“邻居”和“搭档”： 现在，这个RNA手工艺品想要复制自己。它需要找到一些“自由自在”的积木——也就是游离的核苷酸，它们就像散落在工坊里的各种颜色的积木块。更关键的是，它还需要一个“搭档”，这个搭档叫做RNA聚合酶。
3. RNA聚合酶：工坊里的技艺大师： RNA聚合酶就像是工坊里经验丰富的老师傅。它不是凭空变出东西的，而是非常巧妙地利用了RNA分子本身的结构。RNA分子有一个非常重要的特性：它的核苷酸之间存在着特定的“配对规则”。A总是喜欢和U配对，C总是喜欢和G配对。这就像你编织花边时，某种颜色的线总是需要和另一种颜色的线交叉。
4. “照着做”的复制过程： RNA聚合酶会“抓住”这个原始的RNA分子（我们的模板），然后一点一点地沿着它移动。在移动的过程中，它会从周围自由的核苷酸中，找到与模板RNA上每个核苷酸“互补”的那个核苷酸。
如果模板RNA上是A，聚合酶就会在旁边抓一个U。
如果模板RNA上是U，聚合酶就会抓一个A。
如果模板RNA上是C，聚合酶就会抓一个G。
如果模板RNA上是G，聚合酶就会抓一个C。
它就像在照着模板的“样子”来挑选和放置积木，只不过它放置的积木是对模板“相反”的（互补的）。
5. 形成新的链条： 随着RNA聚合酶的移动，它会将这些新挑选来的核苷酸一个个连接起来，形成一条新的、与原始RNA链“互补”的链条。你可以想象成，你用线对照着原始的花边，又编织出了一条“镜像”般的花边。
6. 双链到单链的“分离”： 很多时候，刚开始形成的复制链条会和原始模板链暂时“黏”在一起，形成一个双链结构。但RNA的复制过程通常不需要这个双链结构长期存在。随着复制的进行，或者在特定的条件下，这两条链就会分开了。而我们得到的就是一条新的、与原始RNA一模一样的RNA分子。
为什么说RNA是“最简单”的？
无需DNA的辅助： 你知道，我们身体里绝大多数遗传信息的复制，都需要DNA这个更复杂、更稳定的分子作为蓝图，并且还需要一套更庞大、更精密的复制机器。但RNA，在某些情况下，它自身就能催化（就像是驱动）这个复制过程，或者与相对简单的“搭档”（RNA聚合酶）就能完成。它不需要DNA那样双链的稳定结构来确保信息的精确传递。
“RNA世界”的猜想： 科学家们有一个很重要的猜想，叫做“RNA世界”假说。这个假说认为，在生命起源的早期，DNA和蛋白质还没有像今天这样分工明确，RNA可能同时扮演了传递遗传信息（像DNA）和催化化学反应（像蛋白质）的角色。而RNA能够自我复制，正是支撑这个假说的一个非常重要的证据。这意味着，在生命的最初阶段，这种简单的自我复制能力，很可能是驱动生命演化的关键。
更进一步的思考：
当然，RNA的“复制”并不是像复制一份文件那样完美无瑕。在这个过程中，也可能出现“错误”，就像手工编织时偶尔会打个结或者串错颜色一样。这些错误，也就是突变，正是生命多样性的来源之一。
你可以把RNA的自我复制理解成一种非常古老、非常基础的“基因”的延续方式。它不需要像DNA那样复杂精密的“复制工厂”，只需要一个“模板”和一些“原料”，再加上一个能够理解“配对规则”的“助手”，就能完成这个生命的原始冲动——“复制自己”。
所以，下次当你想到生命时，不妨想想那些微小的RNA分子，它们在生命黎明的舞台上，就用如此简单而又充满智慧的方式，播下了生命能够生生不息的种子。
网友意见
在材料和反应条件不太随便的情况下，目前知道的“最简单的能够复制自己的分子”是亚氨基二乙酸，分子式为 C4H7NO4，分子量约 133.1。
前生命化学的挑战是从少数原始底物中追踪生命关键组成部分的合成过程。2020 年 9 月，一支研究团队报告了一种正向合成算法，可在一般公认条件下从水、氮气、氨、甲烷、氢氰酸等底物开始生成完整的前生命化学反应网络，包含已报道的和先前未确定的通往生物靶标的途径、非生物分子的合理合成。其中一些反应是研究人员实验验证的[1]。
该网络表现出三种形式的非凡化学反应：
- 网络中的分子可充当下游反应类型的催化剂；
- 形成功能化学系统，包括自我制造循环；
- 产生与生物分化的原始形式有关的表面活性剂。
该研究显示，亚氨基二乙酸之类相当简单的分子就可以开始反复的自我制造。亚氨基二乙酸与锰原子等络合之后可以催化合成自身的反应，产率为 126%。
如果你对材料和反应条件什么限制都没有，火药热分解出二氧化氮是自催化的。
容易搞错的东西：
朊毒体进行的不是自我制造，而是改变同类蛋白质的折叠方式来变成和自己一样的模式。而且 PRNP 含有 208 个氨基酸残基，就别掺和小分子的事了。
能够自我制造的 DNA、RNA 的分子规模巨大。
奇异夸克团不是分子。
参考
- ^ Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry DOI: 10.1126/science.aaw1955
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