寫稿
投稿
最初的化學反應在生命起源時是如何開始的?它們的能量來源是什么?海因里希·海涅大學Düsseldorf (HHU)的研究人員重建了人類最后一個共同祖先LUCA的新陳代謝。他們發現，原始生命用來拼湊細胞分子構件的幾乎所有化學步驟都是能量釋放反應。這確定了驅使這些反應向前發展的長期尋求的能量來源，而這些能量一直隱藏在人們的眼皮底下。合成生命基石所需的能量來自新陳代謝本身，只要包含一種基本的起始化合物。在生命起源時，從內部釋放能量的秘密成分是所有能源載體中最清潔、最綠色、最新和最古老的:氫氣，H2。
哈佛大學分子進化研究所的威廉·馬丁教授的團隊研究了早期地球上生命是如何以及在哪里產生的。他們的方法是實驗性和計算性的。在實驗室里，他們利用海底熱液噴口中發現的催化劑和條件，進行化學實驗，研究氫和二氧化碳之間的反應。在計算機上，他們開發了一種分子考古學的形式，使他們能夠發現保存在蛋白質、DNA和現代細胞化學反應中的許多不同的原始生命的痕跡。
在他們最新的工作中，他們研究了什么樣的化學環境促進了產生新陳代謝和后來產生盧卡本身的化學反應，以及驅動這些反應的能量從何而來。為此，他們沒有研究基因，而是研究了生命自身化學反應所包含的信息。他們確定了402種代謝反應，這些反應自大約40億年前生命起源以來幾乎沒有改變。因為這些反應在所有細胞中都是常見的，所以它們在盧卡中也存在。它們揭示了原始生命在新陳代謝中是如何處理能量的，以及它們從哪里獲得了使生命的化學反應繼續進行所需的能量。
Jessica Wimmer是該研究所的一名博士生，也是這篇新論文的主要作者，她對LUCA代謝反應的能量平衡特別感興趣，因為所有的生命都需要能量。402年,她做了一個目錄的反應之間的簡單和古代現代細胞——細菌和古生菌——用來構建生命的基石:20種氨基酸,DNA和RNA的基地,和18維生素(代數余子式)新陳代謝所必需的。在最原始的現代細胞中，在Wimmer的計算機分析中，這些化合物是由現代環境中存在的簡單分子合成的，這些分子也存在于早期地球的熱液噴口中:氫(H2)、二氧化碳(CO2)和氨(NH3)。結果得到了LUCA的代謝網絡。
當被問及這項新研究的核心問題背后的動機時，杰西卡·威默說:“我們想知道推動原始新陳代謝的能量來自哪里。大約40億年前，在代謝反應開始的時候，還沒有蛋白質或酶來催化反應，因為它們還沒有進化。代謝必然來自于環境中可能發生的反應，也許是借助無機催化劑。但不管是否有催化劑，為了繼續進行，反應必須釋放能量。這些能量從何而來?關于代謝能的可能來源，文獻中有很多建議。但從來沒有人研究過新陳代謝本身的反應。”為了找到代謝反應中的能量來源，研究小組計算了在每個反應中釋放或消耗的自由能，也稱為吉布斯能。
結果是:盧卡的新陳代謝不需要外部的能量來源，如紫外線、隕石撞擊、火山爆發或放射性。相反，在許多現代海底熱液噴口的典型環境中，新陳代謝反應向前進行所需的能量來自新陳代謝本身。換句話說，幾乎盧卡所有的代謝反應都是靠自身釋放能量:生命所需的能量來自生命本身。該研究的資深作者馬丁說:“這令人興奮，因為中央新陳代謝的400個相互關聯的反應，乍一看似乎復雜得令人絕望，但突然顯示出一種自然趨勢，在合適的條件下，它們會自行展開。”
為了得出這個結論，研究小組必須首先使用模擬不同環境條件的計算機程序研究402個反應的能量學，以便區分能量有利和不利的組合。這一點很重要，因為反應是否釋放能量通常取決于環境條件。他們調查的條件范圍從pH 1(酸性)到pH 14(堿性)，溫度從25到100°C，以及不同的反應物相對數量的產品。他們特別注意氫的能量作用。Wimmer:“沒有氫，什么也不會發生，因為首先需要氫從二氧化碳中吸收碳進入新陳代謝。”
能量上的最佳條件是堿性pH值在pH 9左右，溫度在80°C左右，需要氫來固定CO2。Martin解釋說:“這和我們在失落之城看到的幾乎一模一樣，失落之城是大西洋中部一個產h2的熱液場。在這樣的環境中，大約95% - 97%的盧卡代謝反應可以自發進行，也就是說，不需要任何其他能量來源。在水熱系統的深海黑暗中，H2是化學陽光。現代能源研究利用了氫與生命完全相同的特性。只是生命有40億年的氫技術經驗，而我們才剛剛開始。”
Jessica Wimmer補充說:“關于生命起源時的能量，我們可以說純化學能就足夠了。我們不需要陽光，不需要隕石，不需要紫外線:只需要氫氣和二氧化碳，再加上一些氨和鹽。由于我們生物合成網絡中的化學反應極其保守，我們可以對產生盧卡的反應獲得一些有趣的見解，盡管它生活在40億年前。”
相關推薦：
