生命以及生命体中的结构的起源

原文章名：God’s DNA-detangling motors.   本文摘自《创造》杂志中文版第40卷第1期

所有生物体内都有奇妙无比的机器，还有建造这些机器的 “ 指令手册 ”。正如一本书的信息是由纸上的文字记载一样，

这本指令手册是由著名的 DNA（脱氧核糖核酸）分子中的化学‘字母’序列（核苷酸）书写。

不仅如此，这些指令还要复制到子代。其实，你并不是继承了妈妈的眼睛、爸爸的耳朵，而是再次制造妈妈眼睛和爸爸耳朵的指令被复制到了你的 DNA 中（参见尾页的知识窗）。

DNA 物理结构带来的众多问题在最简单的生命出现之前都需要得以解决。DNA 的双螺旋结构只有大概 2.5 纳米宽（一英寸的千万分之一）—— 这样的结构实在太微小，借助光学显微镜也无法观察到（一个完整的螺旋转角大概有 10.5 个字母的长度）。但是整条 DNA 分子却非常长：一号染色体是人类最大的染色体，它是由 2.2 亿个字母组成。如果完全展开，它的长度可达 85 毫米（3.4 英寸）。倘若你身体某个细胞中的全部 DNA 都排列开来，其长度大概会到 2 米（6-7 英尺）！这些细长黏糊的长链必须被包装在一个微小的细胞中，并要时时防止它们相互缠绕和打结而乱成一团。细胞需要复杂的机器去实现所有这些功能。而这些机器奇妙复杂，正是创造者大能的一个明证。

解开双螺旋

当 DNA 进行解码（用于制造蛋白质时），双螺旋结构的两条长链必须分离。在繁殖过程中，每条长链都要独立复制。

这个过程需要一种叫做 DNA解旋酶的特殊马达。这种酶呈环状，中间有一个圆孔，让 DNA 得以穿过。但它们既然是马达，就需要燃料供应。为解旋酶供能的是一种称为 ATP 的“ 燃料 ”，而 ATP 则是从另一种马达，ATP 合成酶产生的。¹ 在 ATP 的驱动下，解旋酶环上呈现波浪形变化，波速达每分钟 10000 转左右 —— 这相当于飞机涡轮引擎的转速。解旋酶沿着 DNA 链快速运行，将 DNA双链在复制叉上分离。² 之后，许多其他细胞机器会对 DNA 进行解码并将两条链重新粘合，或者将两条链分别复制。解旋的过程非常快，因为 DNA 复制速度是每秒 1000 个字母，解旋酶必须赶在复制机器的前边。

超螺旋

DNA 螺旋状所产生的另一个问题，在解旋酶拆分长链时就凸显出来。你用一条由多股细绳扭成的绳索就容易证明这个问题：从绳索的中部开始，尝试将各股分开。没多久你就会发现各股很难拆开了，因为分离点两侧股间盘绕越来越紧，阻力增大。如果你松开绳子，它会自己重新盘绕起来 —— 想想老式电话机的螺圈形软线，它们会很容易就层层叠叠地缠在一起。每当在解旋点的前方增加一次缠绕，解旋点后边的DNA也对称地增加一次缠绕，所以后边也变成了超螺旋结构（过度盘绕）。在细胞中，如果 DNA解旋受阻，细胞就无法合成蛋白质，也不能自我复制。

解缠机器

创造者通过一种称为拓扑异构酶 ³ 的特殊蛋白机器来解决生物体中这个问题。这种酶可以剪切 DNA, 重整其结构，后再将 DNA 连接起来。拓扑异构酶必须赶在复制叉前方完成这些工作，避免 DNA 链盘绕得太紧。

拓扑异构酶有若干种，但是可以归为两大类：

• I 型拓扑异构酶会把 DNA 双链中的一条切开，临时抓住切开的两端，让另一条没有被切的链自由穿过切口。这样就能松解双链相互盘绕拧出的张力。这一活动每进行一次会松开一个扭（即，减少一次盘绕）。最后，DNA 链的剪切位点被重新连接。

I 类拓扑异构酶不需要ATP。它仅是让 DNA 盘绕过渡而积累起来的张力释放，如同松开一团拧紧的弹簧一样。

• Ⅱ型拓扑异构酶就复杂很多。这类酶会把 DNA 双螺旋链的双链都切开，并将切口两端分开。紧接着，它会拉着一段没有被切的 DNA 链穿过这个切口。之后，切口缝合。接着，它会放开刚过来的 DNA 链，也放开重新缝合的链条，按需要继续重复整个过程，其中有好几个步骤都需要 ATP 的参与。

Ⅱ型拓扑异构酶之所以重要还有一个原因：当 DNA进行复制时，有时候两个“子”DNA 分子会像链环一样缠绕到一起。因此，将这些缠绕在一起的分子分开称为解链，这是Ⅱ型拓扑异构酶的重要功能。

除非功能齐全，否则无用

拓扑异构酶必须实现三个步骤，否则它们就无用甚至有害：剪切、拉着另一条长链穿过切口、重新连接。每一个步骤有多重要呢？如果任何一个步骤无法完成，酶就无法运作，细胞也就凋亡。

其实，某些抗菌和抗癌药物的药理也是以拓扑异构酶为标靶。氟喹诺酮这类抗菌药（比如环丙沙星和左氧氟沙星）会阻挡细菌的Ⅱ型拓扑异构酶的重新连接功能，使细菌 DNA 的长链不断分解，从而快速杀死细菌细胞。某些抗癌药物（喜树碱和拓扑替康）也是通过同样的药理作用在癌细胞的 I 型和Ⅱ型拓扑异构酶上，从而令癌细胞在复制时失去控制。

另一类药物称为催化抑制剂，它能抑制 ATP 能量的释放，通过停止剪切（第一步）而起效。它并非把 DNA 分解成碎片使细胞死亡，而是让 DNA 缠绕在一起，令细胞既不能自我复制，也无法合成蛋白质。

进化论面临的问题

进化论认为，无机世界的随机化学反应通过逐步累积的方式产生了第一个细胞，其中的每一步都必须有进化优势，从而为自然选择所青睐。这显然是不可能的。假设该过程产生了一种酶，它可以进行第一个步骤 —— 剪切。若然没有把长链连接起来，这只会让原来的信息分子被剪成碎片，细胞也因此受损！

但是对于进化论来说，情况比这更糟糕。自然选择根据定义就是繁殖差异：“ 甲种生物比乙种生物更适应环境 ” 意味着 “ 甲比乙有更多后代能存活下来 ”。因此，自然选择要求至少存在两个能自我复制的生物。说白了，自然选择无法解释复制的起源，因为在出现能复制DNA 的方法之前，生物无法自我繁殖。我们也看到了，没有拓扑异构酶，DNA 便无法复制，因为长链很快就互相缠绕，乱成一堆。自然选择无法解释第一个拓扑异构酶的起源，因此达尔文的进化论也就无从谈起。⁴

另一个问题类似于众所周知的“ 先有鸡还是先有蛋 ”。⁵ 这个问题是：合成拓扑异构酶的指令在 DNA 上，但是没有拓扑异构酶去解旋 DNA，这些指令便无法读取。即使最简单的Ⅱ型拓扑异构酶也是由两个蛋白质片段构成，共有800个 “字母”（氨基酸）。三个 DNA“ 字母 ” 才能编码一个蛋白质字母，所以其基因内大约有 2400 个字母。这样的长度，没有解缠机器是无法读取的。

若然没有Ⅱ型拓扑异构酶去解开子代 DNA 链，这些指令也无法传递到下一代。生殖支原体的 DNA在所有生物的基因组中是最简单的，但它也过于庞大，无法自我解链。

结论

就算是最简单的生物，在读取自身 DNA 指令以合成蛋白质或将指令传递给后代时，也需要拓扑异构酶参与。这些复杂且经过精心设计的机器能够对 DNA 进行剪切、移动并重新连接。没有它们参与，繁殖就无法进行。达尔文进化论 ——随机突变和自然选择无法产生第一个拓扑异构酶。