摘要：约四十亿年前，我们的地球表面还只有汪洋与荒岩。在这样的环境中，一些极为复杂的化学反应可能出现在池塘或深海热泉中。最终，这些化学反应被包裹在膜结构中，形成了原始细胞，生命也从混沌中诞生。

科学家们假设生命源于热泉。 图源 ：KNOWABLE MAGAZINE

导读：

一些科学家指出，地球生命诞生伊始是地球化学让位于生物化学的过程 ——且无需遗传物质参与。 RNA 和 DNA 是后来才登场的。

约四十亿年前，我们的地球表面还只有汪洋与荒岩。在这样的环境中，一些极为复杂的化学反应可能出现在池塘或深海热泉中。最终，这些化学反应被包裹在膜结构中，形成了原始细胞，生命也从混沌中诞生。

但这一过程是怎样发生的？在诸多未解之谜中存在着 “先有鸡还是先有蛋”的难题。在细胞内发生化学反应所需的蛋白质酶，需要根据遗传物质 （ DNA 或 RNA ） 携带的指令来合成。然而在生命起源之初，这些遗传分子尚未存在，合成它们本身就需要酶。

那么，最初是什么启动了生命？

科学家长期以来提出的一种观点认为，遗传物质是最先出现的，以一种名为 RNA 分子的形式。这种 DNA 的近亲的美妙之处在于它的多功能性：它既能催化化学反应，又能储存遗传信息。因此， 或许在地球表面的某个池塘中，有机分子因水份蒸发浓度升高，进而连接形成第一条 RNA 链。

但到目前为止，科学家们尚未能够在模拟早期地球上简单化学物的 “汤”的实验中成功合成 RNA 分子。 位于悉尼的新南威尔士大学 （ University of New South Wales ） 的有机化学家 Albert Fahrenbach 表示：“虽然有一些报道阐明如何实现这一点，但这些方法总显得有点牵强。”虽然他也补充说，支持者认为这种困难本是在意料之中的。

在法国艾克斯 - 马赛大学 （ Aix-Marseille University ） 从事生命起源与演化研究的化学家 Robert Pascal 指出，难以想象 RNA 这类能够自我复制的链状系统能够自发形成。他表示，“我认为，现在真没人相信这种可能性是存在。”

另一种假说认为，生物化学率先登场 ——它最初作为地球化学在细胞外演化。 早期的化学反应无需酶的催化即可进行，只是速度极其缓慢。这些反应能够推进，是因为在热力学上是有利的，还可能受到了热或金属的加速作用。随后，原始酶出现，进一步加快了生命最初的化学反应进程。

在地质的时间尺度上，地球化学反应变得更快更复杂，新的反应也不断叠加。在这一过程中的某个节点，细胞膜以及以 RNA 或 DNA 形式出现的遗传系统得以形成。地球化学由此演变为生物化学。

第二种假说直到最近才获得了关键的实验证据。但在过去几年里，研究人员已经能够在实验室中测试大量的化学混合物以及各种环境条件的组合，并找出了在无酶条件下复制细胞内核心代谢反应的路径。

马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所 （ Woods Hole Oceanographic Institution ） 的地球化学家 Susan Lang 指出， 这一地球化学先于生物化学的想法是“一个极具影响力的观点”，她说，“我认为（科学家们）的确提供了大量的证据来支持这一观点。”

早在 1910 年，俄罗斯生物学家 Konstantin Sergejewitch Mereschkowsky 就推断，最早的细胞必须能将无机物转化为有机物——即构成生命的物质。具体而言，这些原始细胞必须利用氢气 （ H 2 ） 和二氧化碳 （ CO 2 ） 来合成像脂肪酸、糖类和氨基酸这样的有机分子。

大约 20 年前，德国杜塞尔多夫大学 （ the University of Dusseldorf ） 的进化微生物学家 Bill Martin 和美国加州 NASA 喷气推进实验室的地球化学家 Mike Russell 提出，生命的起源地应该是适合发生这些关键反应的环境：深海热泉的喷口。

在这些热泉中，岩石中的铁与水反应生成氢气。而这些氢气能够和二氧化碳反应，生成细胞生化过程中重要的简单有机分子：含单个碳原子的甲酸盐、双碳结构的醋酸盐和具有三个碳原子的丙酮酸盐。

在这一理论的指导下， 2010 年， Lang 及其团队在位于大西洋中部的“失落之城”热泉场进行研究时，证实了在与没有微生物活动的极端热泉环境中，确实能够产生有机小分子。

科学家们还注意到，这些热泉喷口处的地球化学反应步骤，与现今热泉附近生活的微生物利用二氧化碳和氢气合成有机分子的方式完全相同。这与生物化学路径最初起源于地球化学反应，之后才进化出酶的观点一致。

实际上，这一特定的系列反应被称为乙酰辅酶 A 途径，在很早以前就已经被 Martin 及其同事发现。作为细菌和古菌这两大生命基本类群共有的代谢途径，它可一直追溯至地球所有生命的共同祖先。

然而，今天的微生物细胞需要 127 种酶来合成三碳丙酮酸。科学家们能否在实验室中复制这一途径，而不依赖酶，就像在生命诞生之初那样？ Martin 、他当时的学生 Martina Preiner 、现任职于加拿大渥太华大学 （ the University of Ottawa ） 的化学家 Joseph Moran ，以及他们的同事，最近证明了他们确实能做到这一点。

在 2020 年发表的一篇报告中， Preiner 在一系列能维持高温的化学反应器中进行了实验。她将二氧化碳放入这些反应器中，并加入不同配比的铁或镍与水，然后让它们反应一整夜。

这是研究人员 Preiner 和 Martin 用来测试水、二氧化碳和一些金属是否足以合成有机分子的化学反应器。来源： Bill Martin

Preiner 的突破性进展在于，她发现一次只使用一种金属，并控制反应中的氢气浓度。 完成这些操作后，反应器稳定地生成了甲酸盐、醋酸盐、丙酮酸盐、甲醇和甲烷——这些也都是细菌的能够合成的。

Martin 表示：“这些金属取代了 127 种酶，并精准产出与生物代谢路径完全相同的五种产物”

科学家们强调，铁和镍都存在于深海热泉中，它们可能有助于引导前生物反应。

更重要的是，这些金属至今仍然出现在细胞内催化乙酰辅酶 A 途径的酶中。 Martin 表示：“这些金属是最早存在的，然后酶将金属整合进来，但金属依然是必不可少的催化剂。”

在原始地球上，金属曾经极为丰富，尤其是铁，几乎无处不在。柏林夏里特医学院 （ Charité – Universitätsmedizin Berlin ） 的代谢研究员 Markus Ralser 表示：“你无法避开铁参与的化学反应，这也是为什么细胞内的化学反应中到处都有铁的原因。”

热泉中的岩石含有被称为热液孔隙的微小泡状结构。这些空隙的矿物表面上的金属（粉红色圆圈）催化有机小分子的合成。或许正是这些激发了原始生物化学的进化。来源： N. MRNJAVAC 等，《化学研究通报》， 2024 年

Preiner 、 Martin 和 Moran 在实验中生成的丙酮酸，是细胞代谢另一关键环节：合成氨基酸和核苷酸。活细胞需要氨基酸连接成蛋白质，并且需要核苷酸来构建 DNA 和 RNA 。

制造这些物质的核心途径被称为逆三羧酸 （ TCA ） 循环，丙酮酸正是进入该循环中的关键物质之一。

近十年来， Moran 一直努力在细胞外重现逆三羧酸循环。在他开始这项研究时，生命起源研究人员有很多伟大的想法，但很少有人在实验中取得成功。他希望将他在化学催化领域的专业知识应用于这一领域中的重要问题中。

Moran 认为主要的挑战是，尽管逆三羧酸循环中的反应理论上是可行的——也就是说，化学性质最终会推动它们进行，就像重力会助力下坡行走——但有些反应需要很高的能量才能启动。这些反应存在所谓的高活化能壁垒，就像在开始下坡之前需要爬上小山丘一样。是否有可能在没有酶的情况下克服这些活化能的阻碍？又需要什么条件呢？

“我解决这个问题的方法来自化学催化开发和筛选的领域，即‘不要想得太复杂，设计一些具有可行性的实验方案，通过并行开展大量实验，我们就能以非常高效的方式凭借经验寻找答案。’” Moran 解释道。

从 2015 年开始， Moran 和他的团队 （当时在法国斯特拉斯堡大学（ the University of Strasbourg ）工作，他目前仍在那里就职） 研究了逆三羧酸循环中的 11 个核心反应。，测试了他们能找到的每一种金属和无机催化剂，在他们能想到的各种条件下进行实验，包括不同的温度和 pH 值、不同的金属和矿物质的存在。

一些试管尝试完成第一步反应：将丙酮酸转化为草酰乙酸。另一些则尝试进行下一个反应，将草酰乙酸转化为苹果酸，以此类推。除了逆三羧酸循环中的核心反应，科学家们最近还研究了从该循环的分支，那些可以合成核苷酸、氨基酸和磷酸糖类化合物的反应。

团队使用自动化机制 24 小时不间断地进行样品实验。“我们就这样坚持了三年，” Moran 回忆道。

2019 年， Moran 团队报告称，他们能够在无酶条件下合成逆三羧酸循环 11 种代谢产物中的 9 种。他们还确定了使 11 个反应中的 6 个在同一试管中协同进行的实验条件。 Moran 表示：“绝大多数反应及代谢过程看起来都很简单，似乎可以在没有酶的条件下发生。”但他也指出： " 但我们必须保持清醒：目前尚未找到能让整个代谢系统自发形成的条件，我们只是实现了某些片段反应和特定步骤的模拟。 "

尽管如此， Moran 对重建无酶代谢体系的前景仍持乐观态度。他指出，只需发挥一些创造力，就会识别出使一些较为棘手的反应得以发生的条件，例如将丙酮酸转化为草酰乙酸的过程。

Preiner 现任德国马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所（ Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology ）的实验室负责人，她评价说：“ Joseph 在过去十年中所做的工作令人瞩目。这是近五十年来生命起源研究中最重要的成果之一，真正探究了在无酶条件下某些反应如何进行。”

在持续研究生命的化学起源过程中， Preiner 和 Moran 转而关注一类被称为辅助因子或辅酶的小分子，它们在酶促反应中起辅助作用。

这些辅助因子极其重要。其中被称为 NAD ＋的辅助因子可以在分子之间转移电子，这也是反应过程中至关重要的环节；另一种名为 SAM 的辅助因子则在有机化合物的反应过程中负责甲基的迁移和取代。 Preiner 表示，“它们执行的任务虽然简单，却是新陈代谢中极其核心和重要的。”她还补充，很难想象这些辅助因子或类似的化学物质在生命早期未曾发挥作用。

科学家们希望了解这些辅助因子在生命起源阶段可能扮演的角色，以及它们是如何逐渐从地球的地球化学过程过渡到生物化学过程之中的。

如今这些辅助因子仍具有类似酶的催化活性，甚至某些辅助因子能够催化自身的生成。因此， Moran 认为，这些辅助因子很可能在加速代谢反应中起到了关键作用。它们可能加快某些化学反应路径的速度，从而帮助构建起一个生化网络。

科学家们还推测，一些辅助因子在细胞进化的关键一步中也发挥了作用，即基因的出现。她们指出，辅助因子 NADH 由两个核苷酸组成，而核苷酸正是 RNA 和 DNA 的基本组成单元。

“正如我现在的设想，这些分子很可能在早期地球环境中被过度生成，从而承担了不同的任务——其中一部分参与形成了 RNA ，另一部分则参与了代谢过程。” Preiner 解释道。

研究人员清楚，他们永远无法准确了解生命的起源过程：他们如同考古学家或古生物学家一般，试图从零星破碎的遗迹中拼凑出遥远的过去。 正如 Pascal 所言，现存生命代谢系统从众多可能的自催化化学体系中胜出并非必然。“这个结果并非唯一解，”他说，“我们还有无数其他可能性。

尽管如此，科学家已证明无需酶参与的代谢反应可以惊人地模拟深海热泉微生物的代谢过程，这为一个世纪以来关于生命起源的理论提供了关键实证。如同古老岩石中的化石或墓葬中的器物，活细胞内的生化反应将我们与地球原始生命诞生之前的时代紧密相连。

来源：东窗史谈一点号