江苏
最早的生命形式是如何产生的，又诞生于何处？这是生物学领域长期致力于回答的一个核心问题。
生命的起源需要代谢系统的出现。代谢是一个具有自催化性质的化学反应网络，在现代生命中主要由酶催化，能够合成氨基酸、核苷酸和辅因子等生命所需的基本物质。
然而，在代谢起源之初，并不存在酶——那么，最早的代谢究竟是如何开始的？
在一项新发表于《科学进展》的研究中，一个国际研究团队揭示了最早期细胞如何通过一系列化学反应合成生命所需的基本构件，以及这些反应最初依靠什么能量来驱动。他们还追溯了生命早期分化为细菌和古菌过程中酶的起源，并发现证据表明，细菌和古菌可能分别独立完成了从环境依赖走向自主代谢的关键转变。
在酶出现之前
今天，绝大多数代谢反应都由酶来催化。但在生命起源之初，还没有复杂的酶系统。因此，最早的代谢很可能需要借助周围环境中的化学物质和天然催化剂。这样的环境究竟在哪里，至今仍存在争议。科学家提出过陆地温泉、火山、冰以及海底水热喷口等多种候选地点。不同环境能够提供不同的物质、能量和催化条件，也意味着不同的生命起源路径。
不过，无论生命最初出现在哪里，有一点几乎没有争议：现代生命中那套由大约400个反应组成、能够把氢气、二氧化碳、氨、硫化氢和磷酸盐转化为氨基酸、核碱基和辅因子的代谢网络，不可能一次性完整出现。它更可能从环境中原本就能够自发发生的化学反应出发，一步步增加新的反应，逐渐组装成更完整的代谢系统。
但问题在于，这个逐渐组装的过程究竟经历了哪些阶段，此前一直很难重建。一个关键节点是所有现生生命的最后共同祖先——LUCA。当LUCA出现时，它是否已经拥有完整的代谢系统？它能否自行制造所需的全部物质？它的代谢反应是否已经全部由酶催化，还是仍有一部分依赖环境中的天然催化剂？
如果LUCA仍然没有完全摆脱环境，那么这种依赖又持续了多久？它是否一直延续到细菌和古菌开始分化之后？这正是这项研究试图回答的问题。
从金属到酶
为了重建最早期代谢系统是如何形成的，研究团队分析了约400个高度保守的代谢反应及其对应的酶，并结合细菌和古菌的基因组、蛋白质结构和化学反应信息，判断哪些酶可能已经存在于所有现生生命的最后共同祖先LUCA中，哪些则是在细菌和古菌分化之后才分别出现的。
结果显示，LUCA的代谢系统很可能仍不完整。今天由酶催化的许多反应，在当时可能仍依赖环境中的天然金属完成。换句话说，早期代谢很可能经历了一个从天然金属催化，到LUCA时期金属与酶并存，再到细菌和古菌分别完善自身酶系统的过程。
研究人员还发现，一些相同的关键代谢反应，在细菌和古菌中由结构不同的酶完成。这意味着，两条谱系可能曾独立演化出不同的分子方案，来解决同一个代谢问题。
不过，催化只是早期代谢面临的问题之一。化学反应还需要能量。现代细胞通常依靠ATP来驱动许多代谢反应，但ATP本身是一种复杂分子，需要成熟的酶系统来合成，因此很难成为生命起源之初最原始的能量来源。
研究团队于是进一步寻找一种不依赖ATP的磷酸化机制。他们发现，在水中，天然钯能够催化亚磷酸盐参与磷酸化反应，包括将AMP转化为ADP，以及使丝氨酸发生磷酸化。这意味着，在成熟ATP系统出现之前，亚磷酸盐可能曾经承担过一部分早期代谢所需的能量供给。
更重要的是，铁、钴、镍、钯等天然金属，以及亚磷酸盐，都可能出现在蛇纹石化水热系统中。因此，这类环境有可能同时为早期代谢提供三样关键条件：原料、催化剂和化学能。
起源
人类总是渴望了解自己的起源：我们从哪里来，生命最初诞生于何处，以及地球上最早的细胞究竟如何维持生存。这可以说是人之所以为人的一部分。
而这项研究让我们知道：细菌和古菌这两大谱系，是分别独立完成向自由生活状态转变的。只有能够自生的细胞，才是真正意义上的生命。
#参考来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef3128
https://www.hhu.de/en/news-article/two-origins-of-life
#图片来源：
封面及首图由《原理》使用 AI 辅助设计
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