DNA真的是靠自然演化产生的吗？
DNA 真是靠自然演化产生的吗？这是一个非常核心的问题，涉及到生命的起源和演化。简单来说，科学界的主流观点是肯定的，即 DNA 确实是通过一系列自然过程逐步演化而来的，而非凭空出现或被“设计”出来的。要详细说明这一点，我们需要深入到构成 DNA 的基本单元，以及它们如何在早期地球的条件下，通过物理和化学的相互作用，最终形成我们今天所知的遗传物质。
首先，我们要明白 DNA 是什么。DNA 的全称是脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid），它是一种双螺旋结构的分子，由四种不同的核苷酸（腺嘌呤 A、鸟嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T）按特定顺序排列组成。这些核苷酸就像字母一样，它们的排列顺序编码了生命的蓝图——基因，指导着细胞如何运作、生长和繁殖。
那么，这些构成 DNA 的基本单元，以及 DNA 本身，是如何在早期地球上出现的呢？
1. 无机物到有机小分子的诞生：
早期地球的环境与现在大相径庭。没有臭氧层，宇宙射线和紫外线辐射强烈，大气成分也与现在不同，可能富含甲烷（CH4）、氨（NH3）、水蒸气（H2O）和氢气（H2）等，而氧气（O2）的含量极低。这种还原性大气环境被认为是产生有机物的温床。
著名的“米勒尤里实验”就很好地模拟了这种早期地球的条件。科学家们在一个封闭的系统中，将模拟早期地球大气的气体混合物，加入沸腾的水，并用电火花模拟闪电。结果令人惊叹：在这个过程中，无机物竟然合成了多种构成蛋白质的氨基酸，还有一些其他有机小分子，如尿素等。这表明，生命的“原材料”——有机小分子，并非需要生命才能产生，它们可以在非生命条件下，通过化学反应自然生成。
2. 有机小分子到大分子的聚合：
DNA 是一种巨大的聚合物，它是由许多核苷酸连接而成的长链。那么，这些核苷酸是如何在早期地球上形成，并进一步连接成更长的链呢？
早期地球的环境中存在许多能量来源，除了闪电，还有火山活动、地热以及紫外线辐射。在粘土表面、热液喷口附近等地方，可能存在着催化有机物聚合的场所。例如，粘土矿物具有吸附和组织有机分子的能力，可以提高它们发生化学反应的概率和效率。
核苷酸的构成需要核糖（一种糖）、磷酸以及碱基（A、G、C、T）。科学家们已经证明，在模拟早期地球的条件下，这些组件都可以被合成出来。例如，氰化物（HCN）被认为是合成碱基的重要前体。当氰化物在特定条件下发生聚合反应，就可以形成嘌呤和嘧啶碱基。而糖类和磷酸的合成也并非难事。
一旦这些核苷酸被合成出来，它们就需要被连接起来形成更长的链，也就是核酸。这个过程需要脱水反应，即在形成化学键时会释放出水分子。在干燥的环境，或者粘土表面等具有脱水作用的介质中，核苷酸之间的聚合反应可能更容易发生。
3. RNA 世界假说：
然而，DNA 本身是一个相当复杂的分子，而且它需要蛋白质（如酶）的帮助才能进行复制和修复。那么，在更早期的生命形式中，是否存在比 DNA 更简单的遗传物质呢？
“RNA 世界”假说应运而生。RNA（核糖核酸）与 DNA 结构相似，但它是单链的，并且使用核糖作为糖，以及尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）。更重要的是，一些 RNA 分子，被称为“核酶”，不仅能够携带遗传信息，还具备催化化学反应的能力，就像今天的酶一样。
这个假说认为，在生命演化的早期，RNA 可能既是遗传物质，又是催化剂，承担了现在 DNA 和蛋白质共同完成的功能。随着时间的推移，DNA 的结构比 RNA 更稳定，更适合长期储存遗传信息，而蛋白质的催化效率和多样性也更高。于是，DNA 逐渐取代了 RNA 的主要遗传功能，而蛋白质则成为了主要的催化工具。RNA 则扮演了中间信使的角色，如 mRNA、tRNA 和 rRNA 等。
如果 RNA 世界是真实存在的，那么 DNA 的演化就可以看作是 RNA 分子在适应更稳定和高效功能的过程中，逐步改进自身结构的自然结果。
4. 自我复制和自然选择的萌芽：
生命的本质在于自我复制和繁衍。当这些有机大分子（比如 RNA 或早期的 DNA 类似物）能够在大约正确的条件下，通过模板方式进行自我复制时，自然选择的压力就开始发挥作用了。
想象一下，早期地球上可能存在着各种各样的分子链，其中只有少数能够以某种方式复制自己。那些复制效率更高、或者更稳定的分子链，就更有可能在环境中“存活”下来并产生更多的副本。如果在这个复制过程中存在一些微小的错误（突变），而这些突变恰好使得分子链在某种环境中更具优势（例如，更容易获取营养，或者复制速度更快），那么这种突变就可能被“选择”下来，并在下一代中传播开来。
这是一个漫长而渐进的过程，可能经历了无数次的化学反应和分子组合的尝试。最终，通过不断的自我复制和自然选择，那些能够精确地复制遗传信息、并且其信息编码的性状能够适应环境的分子结构，比如我们今天看到的 DNA，就逐渐被筛选出来，成为了生命主要的遗传物质。
总结一下：
DNA 的产生并非一个孤立的事件，而是地球早期化学演化的必然结果。从简单的无机物，通过一系列的化学反应，合成了构成 DNA 的基本单元——核苷酸。这些核苷酸又在特定的环境条件下，聚合形成了更长的核酸链。RNA 世界假说提供了一种可能的过渡阶段，即 RNA 在早期生命中扮演了更核心的角色，而 DNA 是后来演化出的更优化的遗传物质。最终，通过自我复制和自然选择，那些能够高效、准确地传递和储存遗传信息的分子结构，如 DNA，得以在地球上扎根并发展壮大，构成了我们今天所知的生命。
这个过程是漫长的，充满了偶然性，也充满了对环境压力的适应。它没有明确的设计者，而是由物质本身的化学属性和自然界的物理规律共同作用的结果。因此，科学界的主流观点是，DNA 是通过自然演化产生的。
首先，我们要明白 DNA 是什么。DNA 的全称是脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid），它是一种双螺旋结构的分子，由四种不同的核苷酸（腺嘌呤 A、鸟嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T）按特定顺序排列组成。这些核苷酸就像字母一样，它们的排列顺序编码了生命的蓝图——基因，指导着细胞如何运作、生长和繁殖。
那么，这些构成 DNA 的基本单元，以及 DNA 本身，是如何在早期地球上出现的呢？
1. 无机物到有机小分子的诞生：
早期地球的环境与现在大相径庭。没有臭氧层，宇宙射线和紫外线辐射强烈，大气成分也与现在不同，可能富含甲烷（CH4）、氨（NH3）、水蒸气（H2O）和氢气（H2）等，而氧气（O2）的含量极低。这种还原性大气环境被认为是产生有机物的温床。
著名的“米勒尤里实验”就很好地模拟了这种早期地球的条件。科学家们在一个封闭的系统中，将模拟早期地球大气的气体混合物，加入沸腾的水，并用电火花模拟闪电。结果令人惊叹：在这个过程中，无机物竟然合成了多种构成蛋白质的氨基酸，还有一些其他有机小分子，如尿素等。这表明，生命的“原材料”——有机小分子，并非需要生命才能产生，它们可以在非生命条件下，通过化学反应自然生成。
2. 有机小分子到大分子的聚合：
DNA 是一种巨大的聚合物，它是由许多核苷酸连接而成的长链。那么，这些核苷酸是如何在早期地球上形成，并进一步连接成更长的链呢？
早期地球的环境中存在许多能量来源，除了闪电，还有火山活动、地热以及紫外线辐射。在粘土表面、热液喷口附近等地方，可能存在着催化有机物聚合的场所。例如，粘土矿物具有吸附和组织有机分子的能力，可以提高它们发生化学反应的概率和效率。
核苷酸的构成需要核糖（一种糖）、磷酸以及碱基（A、G、C、T）。科学家们已经证明，在模拟早期地球的条件下，这些组件都可以被合成出来。例如，氰化物（HCN）被认为是合成碱基的重要前体。当氰化物在特定条件下发生聚合反应，就可以形成嘌呤和嘧啶碱基。而糖类和磷酸的合成也并非难事。
一旦这些核苷酸被合成出来，它们就需要被连接起来形成更长的链，也就是核酸。这个过程需要脱水反应，即在形成化学键时会释放出水分子。在干燥的环境，或者粘土表面等具有脱水作用的介质中，核苷酸之间的聚合反应可能更容易发生。
3. RNA 世界假说：
然而，DNA 本身是一个相当复杂的分子，而且它需要蛋白质（如酶）的帮助才能进行复制和修复。那么，在更早期的生命形式中，是否存在比 DNA 更简单的遗传物质呢？
“RNA 世界”假说应运而生。RNA（核糖核酸）与 DNA 结构相似，但它是单链的，并且使用核糖作为糖，以及尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）。更重要的是，一些 RNA 分子，被称为“核酶”，不仅能够携带遗传信息，还具备催化化学反应的能力，就像今天的酶一样。
这个假说认为，在生命演化的早期，RNA 可能既是遗传物质，又是催化剂，承担了现在 DNA 和蛋白质共同完成的功能。随着时间的推移，DNA 的结构比 RNA 更稳定，更适合长期储存遗传信息，而蛋白质的催化效率和多样性也更高。于是，DNA 逐渐取代了 RNA 的主要遗传功能，而蛋白质则成为了主要的催化工具。RNA 则扮演了中间信使的角色，如 mRNA、tRNA 和 rRNA 等。
如果 RNA 世界是真实存在的，那么 DNA 的演化就可以看作是 RNA 分子在适应更稳定和高效功能的过程中，逐步改进自身结构的自然结果。
4. 自我复制和自然选择的萌芽：
生命的本质在于自我复制和繁衍。当这些有机大分子（比如 RNA 或早期的 DNA 类似物）能够在大约正确的条件下，通过模板方式进行自我复制时，自然选择的压力就开始发挥作用了。
想象一下，早期地球上可能存在着各种各样的分子链，其中只有少数能够以某种方式复制自己。那些复制效率更高、或者更稳定的分子链，就更有可能在环境中“存活”下来并产生更多的副本。如果在这个复制过程中存在一些微小的错误（突变），而这些突变恰好使得分子链在某种环境中更具优势（例如，更容易获取营养，或者复制速度更快），那么这种突变就可能被“选择”下来，并在下一代中传播开来。
这是一个漫长而渐进的过程，可能经历了无数次的化学反应和分子组合的尝试。最终，通过不断的自我复制和自然选择，那些能够精确地复制遗传信息、并且其信息编码的性状能够适应环境的分子结构，比如我们今天看到的 DNA，就逐渐被筛选出来，成为了生命主要的遗传物质。
总结一下：
DNA 的产生并非一个孤立的事件，而是地球早期化学演化的必然结果。从简单的无机物，通过一系列的化学反应，合成了构成 DNA 的基本单元——核苷酸。这些核苷酸又在特定的环境条件下，聚合形成了更长的核酸链。RNA 世界假说提供了一种可能的过渡阶段，即 RNA 在早期生命中扮演了更核心的角色，而 DNA 是后来演化出的更优化的遗传物质。最终，通过自我复制和自然选择，那些能够高效、准确地传递和储存遗传信息的分子结构，如 DNA，得以在地球上扎根并发展壮大，构成了我们今天所知的生命。
这个过程是漫长的，充满了偶然性，也充满了对环境压力的适应。它没有明确的设计者，而是由物质本身的化学属性和自然界的物理规律共同作用的结果。因此，科学界的主流观点是，DNA 是通过自然演化产生的。
网友意见
早期地球上产生有机大分子的化学反应[1]不算是演化，生命才有演化这一说。
DNA和RNA能够储存遗传信息，但长链的自发产生需要的化学反应太过缓慢、需要有效的催化剂，在现代生物体内这个任务是蛋白质完成的，而蛋白质是在DNA或RNA指导下合成的，这是个“先有鸡还是先有蛋”的问题。
二十世纪八十年代，人们发现RNA能够折叠来具备一定的结构多样性、行使酶的功能，具备自复制和自组装的可能性。1986年，随着多种RNA核酶催化活性的发现，Walter Gilbert的RNA世界假说应运而生，认为生命起源的第一个分子是RNA。
目前已经发现的RNA分子可以独立地进行遗传信息的储存，可以作为核酶催化各种反应，可以对基因的表达进行调控。
1993年，哈佛大学的科学家在实验室里创造出能执行RNA聚合酶功能的RNA。从那以来，人类制造出的这种RNA的性能不断改善，2016年David P. Horning和Gerald F. Joyce发现的24-3聚合酶几乎能复制任何RNA链并将其扩增万倍。
在RNA的自发产生方面，2009年，Matthew W. Powner等人成功找到了从原始有机物到U、C两种碱基核苷的化学反应过程；2016年，Carell团队破解了从原始有机物到A、G两种碱基核苷的化学反应过程；2019年，Carell团队搞出了能在远古地球的环境条件及简单的无机底物作用下同时产生四种RNA核苷酸的过程。该过程不需要复杂的分离和纯化，即可产生关键的生命组分：
蛋白质同样可以自然形成并在计算机模拟中自组织成链[2]。
DNA与RNA结构相似，能形成杂交双链。2018年Angad P. Metha等人[3]构建并表征了一种含有DNA-RNA杂交基因组的大肠杆菌菌株，其基因组中40~50%是RNA。这种大肠杆菌的存活说明DNA-RNA杂交链并不致死。
综上，地球生物可以在远古地球上以天然形成的RNA和蛋白质为基础自发地产生，并允许其中部分物种逐步将遗传物质从RNA替换为DNA。
参考
- ^ 苏联生化学家Alexander Oparin和英国科学家John Haldane分别在1924年和1929年提出了“原始汤”的概念。这个理论认为，几十亿年前，碳、氢、氨、水蒸气等无机物通过化学反应产生了地球上第一批有机化合物，其中包括糖、蛋白质等构成生命的物质。 1953年，满怀好奇心的博士生Stanley Miller说服了自己的导师Harrold Urey，完成了著名的Miller-Urey烧瓶实验。在这个实验中，两位科学家用烧瓶模拟了古地球的环境条件，亲眼见证无机的“海洋”里自发产生了多种有机化合物，包括氨基酸。
- ^ https://www.pnas.org/content/114/36/E7460.full
- ^ Mehta A P , Yiyang W , Reed S A , et al. Bacterial Genome Containing Chimeric DNA–RNA Sequences[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018:jacs.8b07046.
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