代谢起源：从化学反应到生命的演变

生命的最初形式是如何产生的，这一直是生物学研究的核心问题之一。生命的起源依赖于代谢系统的形成，这是一个自我催化的化学反应网络，现代生物体中主要由酶所催化，能合成生命所需的基本物质如氨基酸和核苷酸。然而，在生命萌芽之初，并不存在酶，那么早期代谢是如何起步的呢？

一项新的研究揭示了生命最初是如何通过一系列化学反应生成基本构件的，并探讨了这些反应最初依赖何种能量。他们追溯了细菌和古菌的分化过程，发现这两大类群可能是独立完成了从依赖环境到自主代谢的转变。

在酶尚未出现的远古时期，代谢反应主要依赖于周围环境中的化学物质和自然催化剂。科学家们提出了多个可能的生命起源地点，包括陆地温泉、火山、冰以及海底热泉，不同的环境提供了不同的物质和能量，这意味着生命的起源路径也可能各异。无论生命的起源如何，一个事实是普遍认可的：现代生命体复杂的代谢网络不可能一蹴而就，而是逐步演化而来。这一过程的具体阶段一直以来都难以复原。

一个重要的切入点是所有现生生命的共同祖先——LUCA（最后的共同祖先）。当LUCA出现时，它是否已经拥有一个完整的代谢系统？能否自我合成所需的物质？以及LUCA是否仍依赖于环境中的自然催化剂？这些问题是该研究的重点。

为了探究超级早期代谢系统的形成，研究团队分析了约400个保守的代谢反应及其对应的酶，结合细菌和古菌的基因组及反应信息，试图确定哪些酶可能在LUCA中存在，哪些是在细菌和古菌分化后才出现的。结果显示，LUCA的代谢系统可能依然不完整，许多现代由酶催化的反应在那时可能依赖于环境中的自然金属。这一过程经历了从自然金属催化到LUCA时期金属与酶共存，再到细菌和古菌完善自身酶系统的演变。

研究还发现，细菌和古菌中同样的代谢反应往往由不同的酶完成，这表明它们各自可能独立演化出不同的分子方案来应对相同的代谢需求。然而，仅有催化还不足以满足早期代谢的需求，能量也是必不可少的。现代细胞以ATP为动力，但ATP本身需要成熟的酶系统来合成，因此在生命起源初期并不适合成为主要能量来源。

为寻找不依赖ATP的磷酸化机制，研究团队发现，天然钯能在水中催化亚磷酸盐参与磷酸化反应，这表明亚磷酸盐可能曾为早期代谢提供能量。这些天然金属和亚磷酸盐可能同时出现在蛇纹石化水热系统中，从而为早期代谢提供了重要的原料、催化剂和化学能。

人类始终渴望探究自身起源：从何而来，生命的第一缕曙光又诞生于何地？这项研究表明，细菌和古菌独立完成了向自主生活状态的转变，只有那些能够自我生存的细胞，才是真正的生命。