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當我們仍在同一鍋湯的時候,誰來傳遞電子?

大家應該都知道米勒‧尤里實驗吧(Miller-Urey Experiment)(1),米勒與尤里為了要證明在三十億年前的原始地球的環境下可以產生有機分子,設計了以下的實驗:

圖片來源:維基百科

燒瓶裡面充滿了水蒸氣、甲烷、氨、氫氣、一氧化碳,用電極放電來取代閃電,還有冷卻系統模擬下雨,這樣不間斷的煮兩個星期以後,發現10-15%的碳原子形成有機化合物(糖、氨基酸),由此證明了在原始地球的環境下,有機物質是可以形成的;而在這個實驗裡的那一鍋湯,也就被稱為「原始湯」(primordial soup)。

隨後,有人就提出在那樣的環境下,究竟是先有DNA(去氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、還是蛋白質呢?目前大家都認為應該是RNA先形成,然後才會有其他的東西。當然,後來也有不少實驗室都證明了,RNA可以當作酵素。

RNA可以當作酵素沒錯,但是RNA是否能參與電子傳遞呢?

電子傳遞是生物中很重要的反應,包括呼吸鏈(respiration)、光合作用(photosynthesis)以及由RNA來形成DNA都需要電子的傳遞,如果RNA在原始地球的環境中不能進行這樣的反應,那麼先前所有的理論可能都有點岌岌可危了。

為了要實驗究竟RNA在原始地球的環境下是否能進行電子傳遞,喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的威廉斯教授(Loren Williams)所帶領的研究團隊做了一個實驗(2)。

在實驗中,他們測試十種不同的RNA在無氧的環境下是否能進行電子傳遞。由於在原始地球的環境中,鐵離子(Fe2+)的濃度其實是很高很高的,所以他們測試了鐵離子;但是在現代的環境中,RNA經常與鎂離子(Mg2+)結合,所以他們也測試了鎂離子。

結果威廉斯教授的研究團隊發現,鐵離子能在原始地球的環境中與RNA合作進行電子傳遞。尤其是23S rRNA(存在於核糖體中)與tRNA(轉移RNA,與核糖體共同負責蛋白質的合成),當他們在原始地球環境下和鐵離子結合時,電子傳遞的速率是這十種RNA裡面最高的。相對的,沒有任何一種RNA在與鎂離子結合時,能夠在原始地球的環境下參與電子傳遞。

那麼,什麼時候開始,RNA不再與鐵離子合作呢?

可能是在光合作用出現以後,氧氣開始進入大氣,便將鐵離子氧化成為鐵銹,形成一圈圈的沈積物(鐵礦)。這時候的鐵無法再被生物所利用,於是不得不由鐵轉向鎂。當然,當氧氣開始進入大氣以後,地球的環境也和最開始的時候不同,這時候開始轉而利用鎂離子是有利的。

能夠證明電子傳遞可以在原始地球的環境下以不同的分子進行,對於探索生物由何而來是邁進了一大步;威廉斯教授的研究團隊將會繼續探索,在原始地球的環境下,其他生物必要的反應是否也能夠進行。

參考文獻:

1. Wikipedia. 2013. Miller-Urey Experiment.
2. Science Daily. 2013 Origins of life: In early Earth, iron helped RNA catalyze electron transfer

關於作者

葉綠舒

做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。