英格兰、苏格兰和波兰的科学家表示，DNA和RNA是构成地球生物学基础的两种主要现代遗传密码形式，可能在地球生命出现之前就已经以严格的配对形式共存于我们的星球上。研究人员使用一种基于氰化氢的化学系统，旨在模拟地球早期历史的条件，制造了四种碱基，即遗传字母的分子“字母”。这些碱基串联在一起，形成基因序列，细胞将其翻译成蛋白质。但令人惊讶的是，该团队发现，他们的实验始终产生的四种碱基中，有两种是DNA中发现的形式，而另外两种是RNA中发现的形式。
这项研究发表在《自然》杂志上，由英格兰剑桥分子生物学医学研究委员会实验室的约翰·萨瑟兰及其同事进行，进一步削弱了所谓的RNA世界假说。这个观点长期以来一直是生命起源研究中最突出的观点之一，它假设在DNA和其他对生命重要的分子出现之前很久，RNA就构成了地球生物圈的基础。然而，迄今为止，几乎没有发现化学途径可以制造出这种RNA独有的系统，这种系统是该想法的僵化版本所采用的，或者可以导致DNA产生的。萨瑟兰说：“人们倾向于认为RNA是DNA的母体。这篇[论文]表明它们是分子上的兄弟姐妹。”
然而，其他未参与这项研究的科学家质疑这种基于氰化氢的途径所用条件的合理性。法国国家科学研究中心分子生物物理中心外生物学小组主任弗朗西斯·韦斯托尔指出，形成碱基需要非常特定的条件。混合物需要干燥并暴露于紫外线——这两个障碍最容易在陆地上克服，但在我们地球被海洋覆盖的四十多亿年前的早期，陆地供应短缺。“这些条件当然在早期地球上存在，”韦斯托尔说。“它们不会那么普遍，因为暴露的陆地面积不多。”尽管她补充说这项研究“巧妙”且“并非完全不可能”，但她总结说，“关于生命和生命前分子出现的地点，还有其他更好的假设。”
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自1950年代初期美国研究人员斯坦利·米勒和哈罗德·尤里进行了一项里程碑式的实验以来，关于合理性的争论一直困扰着基于化学的探索，以了解地球上生命的起源。这对搭档通过在装有氢气、水、氨气和甲烷的烧瓶中触发放电，模拟了早期地球大气和海洋中闪电的影响。尽管他们的实验著名地产生了对生物化学至关重要的大量有机分子，但几十年来，其他研究人员一直在争论其条件的合理性。尽管如此，米勒和尤里的工作表明，制造重要的物质相对简单，例如连接起来形成蛋白质的氨基酸，蛋白质在活细胞内执行无数功能。与生命起源研究特别相关的是，蛋白质可以充当催化剂，增强并加速其他化学反应，否则这些反应会太慢或效率太低而无法合理地发生。但蛋白质并不是地球上生命兴起背后唯一的可能催化剂。
在最终为分子生物学家西德尼·奥尔特曼和生物化学家托马斯·切赫赢得了1989年诺贝尔化学奖的工作中，他们发现RNA——长期以来被认为仅仅是遗传信息的中间载体，服从于DNA——也可以充当催化剂。RNA世界假说表明，这种分子可以自我复制，从而在DNA和蛋白质存在之前实现早期进化。然而，萨瑟兰说，这个想法“是对一项杰出发现的过度热情、过度狂热的反应”。
这种反应可能部分是因为，对于一个天真的化学家来说，从RNA跃迁到DNA看起来很容易。为了创建我们经常看到的盘绕成DNA标志性双螺旋的长链，碱基首先连接到糖分子的“骨架”。这些组合构成了核苷：DNA中的脱氧核苷和RNA中的核糖核苷——与DNA表亲不同，RNA形成单螺旋。核苷不使用食糖或蔗糖，而是RNA中的核糖和DNA中的脱氧核糖（不同的糖为每种物质提供了首字母）。两种糖类型之间的区别很小：只有一个氧原子和一个氢原子。然而，这种差异足以使DNA和RNA具有不同的生物学作用。而从生物化学角度去除这些原子远比简单地擦除笔记本中代表它们的字母要困难得多。
RNA世界想法的另一个缺陷是在可能存在于早期地球的条件下制造核糖，然后将其连接到碱基的难度。因此，萨瑟兰和他的同事寻求更可能的方式来制造核糖和核糖核苷。他们最有希望的方法之一依赖于两种被认为在地球早期大气中相对丰富的气体：硫化氢和氰化氢。当溶解在水中，沐浴在紫外线下并经历干燥循环时，这些简单的化合物产生了许多更复杂的分子。它们包括氨基酸和甘油，甘油是脂肪分子的骨架，可以形成细胞的外壁。
萨瑟兰去年将这种方法向前推进了一步。他与加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的拉马纳拉亚南·克里希纳穆提团队合作，他和他的同事表明，核糖核苷胞嘧啶和尿嘧啶可以转化为脱氧核糖以及核苷和脱氧腺苷。现在——主要通过当时都在分子生物学实验室的团队成员徐建峰和瓦茨拉夫·赫梅拉的努力——研究人员取得了更大的进展。他们将该团队先前研究中的一些中间分子与盐（如亚硝酸钠和氯化镁）混合，这些盐可能在原始地球上很普遍，然后分别将其置于酸性条件和热条件下。通过这些步骤，科学家们发现了两种可能途径，将第四种碱基，即不太常见的核苷肌苷，添加到他们已有的集合中。这种添加足以构成一个四字母遗传字母表，其中链中的每个碱基将专门与第二条链中的其他三个字母之一配对。这种碱基配对互补性是现代RNA和DNA的工作方式。但在实验中，两个字母来自RNA，两个字母来自DNA。
萨瑟兰说，这种排列“表明制造RNA和DNA的化学过程并不像人们想象的那么不同”。“人们倾向于认为RNA先于DNA出现，然后以某种方式被取代。对我来说，这表明你可能拥有RNA-DNA杂交体，然后它可能产生两个独立的分子。”然而，萨瑟兰的团队尚未将单个核苷和核糖核苷组装成更长的链。这样做很重要，因为表明杂交链确实可以形成并与伙伴链结合对于将这个想法超越推测至关重要。
对于佐治亚理工学院的生命起源研究员尼古拉斯·赫德来说，这是一个关键问题，他没有参与这项研究。他称其为“关于水基核苷合成的有机化学研究的优秀汇编”。但赫德不相信这篇论文解决了这些核苷是否真的在生物出现之前出现的问题。他自己的研究表明，氨基酸可能在RNA之前就已连接起来，以携带信息并充当催化剂。赫德认为，进化会在漫长的地质时期内逐渐产生当前的遗传系统。“如果从化学角度来看，一种分子非常难以制造，但它在生物学中却能出色地发挥作用，那么它很可能是在一段时间内进化而来的，”他说。出于同样的原因，他也对RNA世界假说持怀疑态度。
此外，赫德认为，这项新研究依赖于严格的增量步骤，每个步骤都以严格的顺序并在严格控制的条件下进行，这是一个明显的弱点。赫德说，如果步骤顺序发生变化或某些产物未被分离，萨瑟兰和他的同事将制造出他们感兴趣的物质要少得多。这种警告降低了这种情况在早期地球混乱环境中发生的可能性。
萨瑟兰承认，在没有时间机器回到地球上生命真正起源的情况下，“合理性是这个稀有研究领域的一切”。即便如此，他仍然坚定地支持他的团队在建立通往生命组成部分的化学途径方面的工作。“有许多、许多迹象指向氰化氢，”萨瑟兰断言。“这能证明这一切都来自氰化氢吗？它不能证明。但对我来说已经足够好了。”