科學家或已發現早於DNA的滅絕遺傳密碼痕跡

長久以來，科學家們一直認為自己明白生命的遺傳密碼是如何演化的，但一項新研究顛覆了這一假設。研究人員透過分析古老的蛋白質序列發現，早期生命更偏好較小的胺基酸，而且比先前認為的要早得多就將含硫化合物融入其中。這一發現對長期以來的實驗提出了挑戰，也為在我們現有的遺傳密碼之前存在已滅絕的遺傳密碼這一可能性開啟了大門。

儘管地球上的生命多樣性令人嘆為觀止，從微小的細菌到巨大的藍鯨，幾乎所有生命都共享同一套遺傳密碼。但這套密碼究竟是如何以及何時出現的，仍是科學界爭論的話題。

亞利桑那大學遺傳學跨學科研究生專案博士生薩桑·韋比（Sawsan Wehbi）發現了有力證據，對廣為接受的遺傳密碼演化觀點提出了挑戰。在發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的一項研究中，韋比及其團隊指出，胺基酸——遺傳密碼的基本構建單元——融入遺傳密碼的順序，與長期以來的共識理論並不一致。他們的發現呼籲重新評估生命通用藍圖的形成方式。

論文資深作者、亞利桑那大學生態學和進化生物學教授喬安娜·馬塞爾（Joanna Masel）表示，遺傳密碼是個神奇的東西，一連串包含四種核苷酸序列的DNA或RNA，會利用20種不同的胺基酸轉譯成蛋白質序列。這是個極其複雜的過程，而我們的遺傳密碼出奇地優秀。它在很多方面都近乎完美，想必是分階段演化而來的。

研究顯示，早期生命比起更大、更複雜的胺基酸分子，更偏好較小的胺基酸分子，後者是後來才加入的，而能與金屬結合的胺基酸比先前認為的要早得多就融入其中。最終，研究團隊發現，如今的遺傳密碼很可能是在其他已滅絕的密碼之後才出現的。

論文作者認為，目前對遺傳密碼演化的理解存在缺陷，因為它依賴的是具誤導性的實驗室實驗，而非演化證據。例如，遺傳密碼演化傳統觀點的基石之一，是1952年著名的尤里 - 米勒實驗，該實驗試圖模擬早期地球可能見證生命起源的條件。

雖然這項實驗在證明無生命物質可透過簡單化學反應產生包括胺基酸在內的生命構建單元方面很有價值，但實驗的意涵受到了質疑。例如，儘管硫在早期地球很豐富，但該實驗並未產生任何含硫胺基酸。因此，含硫胺基酸被認為是很晚才加入遺傳密碼的。然而，考慮到實驗材料中沒有硫，這一結果並不令人意外。

論文共同作者、亞利桑那大學月球與行星實驗室的行星科學和宇宙化學董事教授丹特·勞雷塔（Dante Lauretta）表示，早期生命富含硫的特性，為天體生物學提供了洞見，尤其有助於理解外星環境的潛在宜居性和生物特徵。

他說，在火星、土衛二和木衛二這樣硫化合物普遍存在的星球上，這可以透過突出類似的生物地球化學迴圈或微生物代謝，為我們尋找生命提供指引。這樣的洞見可能會完善我們在尋找生物特徵時的目標，有助於發現那些在富含硫或類似化學環境中繁衍的地球以外的生命形式。

研究團隊使用了一種新方法，分析了整個生命之樹上的胺基酸序列，一直追溯到最後的共同祖先（LUCA），這是一種假設生活在大約40億年前的生物群體，代表瞭如今地球上所有生命的共同祖先。與先前使用完整蛋白質序列的研究不同，韋比及其團隊專注於蛋白質結構域，即更短的胺基酸片段。

韋比說：『如果你把蛋白質想像成一輛汽車，那麼一個結構域就像一個輪子。它是可以用在很多不同汽車上的部件，而且輪子的出現比汽車要早得多。』

為了弄清楚某種特定胺基酸可能何時被納入遺傳密碼，研究人員使用統計資料分析工具，比較了從LUCA時期甚至更久遠時期的蛋白質序列中每種胺基酸的富集程度。在古老序列中優先出現的胺基酸，很可能是早期就被納入的。相反，LUCA的序列中缺乏那些後來才被納入，但在較晚出現的蛋白質序列中才有的胺基酸。

研究團隊鑑定出了超過400個可追溯到LUCA的序列家族。其中超過100個起源更早，在LUCA之前就已經分化。結果發現，這些序列包含了更多具有芳香環結構的胺基酸，如色氨酸和酪氨酸，儘管這些胺基酸在我們的遺傳密碼中是較晚才加入的。

馬塞爾說：『這為我們之前存在的其他遺傳密碼提供了線索，而這些遺傳密碼早已消失在地質歷史的長河中。早期生命似乎很喜歡環狀結構。』

參考文獻：《透過最後共同祖先的蛋白質結構域解析胺基酸納入遺傳密碼的順序》，作者薩桑·韋比、安德魯·惠勒、伯努瓦·莫雷爾、楠迪妮·馬內帕利、阮光明、丹特·S·勞雷塔和喬安娜·馬塞爾，2024年12月12日，《美國國家科學院院刊》。DOI：10.1073/pnas.2410311121