生命起源的诸多谜题中,最绕不开的莫过于代谢与酶的关系,这个问题就好比先有鸡还是先有蛋。
今天所有生命的新陈代谢都靠酶来催化,可酶本身也是代谢的产物。
所以在还没有酶的远古地球,第一套能合成生命构件的反应系统,到底是怎么运转起来的?
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2026年8月5日发表在《科学进展》上的一项研究,研究人员通过回溯上千种代谢酶的演化轨迹,还原了这套系统从无到有的完整组装过程。
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这项研究告诉我们:生命的代谢不是一次性凭空诞生的,而是经历了从依附矿物环境到逐步自主的漫长过渡;而细菌和古菌这两大最基础的生命谱系,更是在分家之后,各自独立走完了代谢系统的最后一步,先后拥有了真正独立生存的能力。
要追溯几十亿年前的代谢演化,科学家的办法是拆解酶的三维结构。
比起基因序列,蛋白质的空间结构更保守,能挖到更古老的演化痕迹。
研究团队分析了953种原核生物的基因组,覆盖361个合成氨基酸、碱基和辅助分子的核心代谢反应,通过结构比对把酶归为不同的演化家族,再判断哪些酶在所有细胞的最后共同祖先(LUCA)体内就已经存在,哪些是后来细菌和古菌各自添上的。
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结果出乎很多人的意料:LUCA只拥有约一半的核心代谢酶,准确说是166种。
其中负责合成核苷酸的酶已经基本完整,毕竟遗传物质的复制是生命的核心功能;但氨基酸合成、辅因子合成和中间碳代谢通路都存在明显缺口。
这些缺口并不是凭空补上的,而是由环境里的天然金属代劳。
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在蛇纹石化的海底热液喷口,天然存在的铁、钴、镍等金属单质颗粒,它们本身就是高效的催化剂。
它们能在温和的水环境里,推动氢气、二氧化碳、氨气合成出乙酸、丙酮酸甚至氨基酸,这些都是代谢系统里的核心中间产物,反应路径和今天酶催化的几乎完全一致。
LUCA就是这样一种半自给的原始生命:它已经有了核糖体、通用遗传密码,能合成一部分酶,但还没法独立完成全部代谢反应,必须依附在富含金属的热液岩石上,靠矿物催化补全剩下的反应。
所以它更像是长在岩石孔隙里的半生命,还没法脱离环境自由游动。
而代谢运转离不开能量。
今天的细胞用ATP当做通用能量货币,可ATP本身需要酶来合成。
原始环境里的能量从哪来的?
这一直是生命起源研究的瓶颈,普通的磷酸盐在水里活性很低,很难给有机分子加上磷酸基团、提供反应能量。
这项研究找到了关键的答案:热液喷口里的磷,不是我们熟悉的正磷酸盐,而是亚磷酸。
在金属钯的催化下,亚磷酸能在温和的碱性水环境里,直接给腺苷一磷酸加上磷酸基团,生成能量分子ADP;也能给丝氨酸加上磷酸,变成生命必需的磷酸化氨基酸。
整个过程不需要额外的化学助剂,不需要反复脱水,在水里持续反应就能发生,刚好匹配热泉的环境条件。
这就意味着,热液喷口不仅有现成的催化剂,还有持续的能量来源:亚磷酸氧化释放的能量,直接驱动了最初的磷酸化反应,稳稳撑起了原始代谢的能量需求。
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随着酶的种类越来越多,细胞开始用小分子代谢辅助因子替代环境里的金属。
过去学界一直认为,这类辅助因子是比酶更古老的RNA世界遗留物,但这项研究排出的演化时间线给出了完全相反的结论:所有核心辅助因子的出现时间都很晚,它们对应的反应,早就靠金属催化在环境里存在了。
换句话说,辅助因子不是酶的前身,而是金属的升级版替代品。
比起固定在岩石里的金属颗粒,可溶的小分子能带着催化能力在细胞内移动,让反应更精准、更高效。
当细胞把绝大多数依赖环境金属的反应,都换成了酶加辅助因子的组合,它就彻底摆脱了对岩石环境里天然金属的依赖,成为能自由生活的完整细胞。
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最关键的是,这最后一步脱离环境的关键跃升,在细菌和古菌身上独立发生了两次。
研究发现,至少有5组核心代谢酶(包括丙氨酸脱氢酶、莽草酸激酶等),在细菌和古菌体内的三维结构完全不同,属于各自独立发明的产物,就像两个工程师面对同一个问题,画出了完全不一样的设计图。
这说明,LUCA分家成两个谱系的时候,双方都还带着半套代谢系统,都还依赖环境里的金属。
在之后的演化里,细菌分支补上了89种新酶,古菌分支补上了38种,各自摸索着补上了缺失的反应环节,独立完成了代谢系统的全酶促装配,最终都实现了自由生活。
这不是生命起源了两次,而是生命从依附环境的半化学网络到自主生存的活细胞这关键一跃,在两大谱系里独立发生了两次。
它们共享同一个古老的祖先雏形,却各自走完了最后的演化。
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这项研究也刷新了我们对生命边界的认知:生命不是某个瞬间发生的奇迹,不是一道非生即死的明确界限,而是一个持续数亿年的渐进组装过程。
从金属催化的无机反应系统,到半酶半矿物的原始生命,再到基本自主的细胞,生命一步步把环境里的催化能力转化成自己的一部分。
海底热泉的岩石孔隙,就是这个组装过程的天然摇篮。
那些不起眼的金属颗粒和亚磷酸,最终孕育出了今天地球上所有复杂的代谢系统。
而细菌和古菌两次独立的自主化之路,也让我们看到:生命的诞生或许并没有那么偶然,只要环境条件合适,从化学走向生命的路径,可能远比我们想象的更可重复。
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