探究没有酶的代谢起源

最早的生命形态是如何诞生的？这个问题一直吸引着生物学家的深入研究。生命的起源离不开代谢系统的形成。代谢可以看作是一个自我催化的化学反应网络，在现代生物机体中，这些反应主要通过酶的催化来实现，合成生命所需的核心物质如氨基酸、核苷酸和辅因子。然而，在生命起源的早期阶段，并没有酶的存在，最初的代谢究竟是如何开启的呢？一项新近在《科学进展》上发布的研究中，一个国际研究团队揭示了早期细胞通过化学反应如何合成基本生命构件，并探讨这些反应最初是由什么样的能量驱动。此外，他们追踪了生命初期在细菌与古菌分化过程中酶的起源，发现这两者或许独立完成了从环境依赖到自主代谢的关键转变。

在酶尚未出现的时代，现代绝大多数的代谢反应是依赖于酶来促进的，但在生命起源之时，复杂的酶系统并不存在。因此，早期的代谢很可能依赖周围环境中的化学物质和自然催化剂。至于这些环境的具体位置，科学界至今没有达成一致。一些研究者提出了陆地温泉、火山、冰块以及海底热泉等多种可能性。不同的环境可以提供多样的原料、能量及催化条件，意味着生命可以有多种产生方式。无论生命最初是在何处出现，有一点是普遍共识的：现代生命所拥有的由400种反应组成的代谢网络是不可能一次性完全形成的。这一网络能够将氢气、二氧化碳、氨、硫化氢及磷酸盐转化为氨基酸、核酸基及辅因子，更有可能是从环境中自然发生的反应起步，逐步增加新的反应，最终汇聚成一个更加完整的代谢系统。

研究团队认为，复原早期代谢系统的过程并非易事。一个重要的节点是所有现存生命的共同祖先——LUCA。LUCA出现时，它是否已经拥有完整的代谢系统？能否自我合成所有必需物质？它的代谢反应完全依赖于酶催化，还是部分依赖于环境中的自然催化剂？如果LUCA依然无法完全脱离环境，那么这种依赖又持续了多久？这项研究正是为了解答这些问题而展开的。

为了阐明最早期代谢系统的形成，研究团队分析了大约400个高度保守的代谢反应及其对应的酶，结合细菌和古菌的基因组、蛋白质结构与化学反应信息，以判断哪些酶可能存在于LUCA中，哪些则是在细菌和古菌的分化之后才各自出现。研究结果显示，LUCA的代谢系统很可能并不完整，许多现代由酶催化的反应在当时可能仍依赖于环境中的天然金属。换言之，早期代谢可能经历了一个逐步演变的过程，从依赖天然金属催化，逐渐到LUCA时期金属与酶共存，再到双方各自完善自己的酶系统。研究还发现，细菌与古菌对某些关键代谢反应使用不同结构的酶，这表明它们可能独立演化出不同的分子解决方案来应对同一代谢难题。

然而，催化作用并不是早期代谢面临的唯一挑战。化学反应需要能量，而现代细胞通常依靠ATP来驱动代谢反应，然而ATP本身是一种复杂的分子，需要成熟的酶系统来合成，因此不太可能是生命起源之初的原始能量来源。为此，研究团队进一步探索了一种不依赖ATP的磷酸化机制。他们发现，天然钯在水中能够催化亚磷酸盐的磷酸化反应，包括将AMP转化为ADP，以及丝氨酸的磷酸化。这暗示着，亚磷酸盐可能在成熟的ATP系统出现之前，为早期代谢提供过一部分能量支持。更重要的是，铁、钴、镍、钯等天然金属以及亚磷酸盐，可能就出现在蛇纹石化的水热系统中。因此，这类环境很可能为早期代谢提供了三大必要条件：原料、催化剂及化学能。

人类始终渴望了解自身的起源：我们从何而来，生命最初诞生于何处，以及我们星球上最早的细胞如何生存。这不仅关乎科学探索，也探寻着人类的身份认同。这项研究启示我们，细菌与古菌作为两大生命谱系，各自独立走向自主生活的状态，只有那些能够自我生存的细胞，才是真正意义上的生命。