氨 + 盐 + H₂ + CO₂ → 生命？
氨 + 盐 + H₂ + CO₂ → 生命？Original Måka 原理
2021-12-17 20:34
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你或许听过一种说法：地球上的每一种生物都来自LUCA。
LUCA的全称是“最后一个普遍的共同祖先”，这是一种早期生命形式。目前普遍认为，LUCA生活在至少35亿年前，甚至更久远的过去。LUCA并不是最早的生命，然而让它变得与众不同的是，它被认为是现存所有生物的最后一个共同祖先，换言之，只有LUCA的直系亲属最终存活了下来，并繁衍出了如今的地球生物圈。
对于LUCA甚至更早的生命来说，目前所有关于生命起源的理论都认为，需要一种能量来源来促进它们原始的化学反应发生，推动生物新陈代谢的出现。但我们仍然不清楚，这种能量来源究竟是什么？生命最初的化学反应又是如何开始的？
近日，在一项发表在《微生物学前沿》的新研究中，一组科学家重建出了LUCA的新陈代谢并发现，原始生命用来拼凑细胞分子零件的几乎所有化学步骤都是放能反应。他们认为，我们一直在寻找的那种合成生命的基本零件所需的能量，恰恰就来自代谢本身。整个过程还有一种基本的起始化合物必不可少，那就是氢气（H2）。
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研究团队一直在探索，早期地球上的生命是如何以及在哪里产生的。他们的方法既包括实验，也包含计算性的研究。
比如，科学家会在实验室中进行化学实验，利用类似海底热液喷口发现的催化和环境条件，研究氢气和二氧化碳之间的反应。此外，他们还在计算机上开发了一种形式的“分子考古学”，帮助寻找原始生命的许多不同痕迹，这些痕迹被保存在现代细胞的蛋白质、DNA和化学反应中。
在这项最新的研究中，他们巧妙地没有选择研究基因等其他方面，而是关注了生命的化学反应本身所包含的信息。
在大约40亿年前，代谢反应刚开始出现时，还不存在蛋白质或者酶来催化反应，因为这些分子还没有进化出来。代谢一定来自可以在环境中发生的反应，也许还有某些无机催化剂的帮助。
但是，无论有没有催化剂，为了进一步发展，反应必须释放能量。过往的文献中已经有很多关于代谢能量可能来源的想法，但似乎还没什么人研究过代谢的反应本身。
研究人员制作了一份目录，其中囊括了现代细胞中简单而古老的细胞（细菌和古菌）用来构建生命基本零件的402个反应，这些所谓的基本零件包括20种氨基酸、DNA和RNA的碱基，还有18种代谢所必需的维生素（辅因子）。
这些反应是“高度保守”的，换句话说，它们可能自从约40亿年前生命起源以来几乎就没有改变过。它们是所有细胞共有的，因此也应当存在于LUCA中。这些反应可以揭示原始生命如何处理代谢中的能量，以及它从哪里获得使生命的化学反应进一步发展所需的能量。
团队首先借助计算机程序模拟了不同的环境条件，研究了402个反应的能量特性，因为环境往往对反应能量产生着重要影响。研究涉及的环境条件从酸性到碱性（pH 1到14），温度从25跨越到100°C，还纳入了不同反应物和产物的相对量等。
科学家还格外仔细地研究了氢气的能量角色。因为反应首先需要氢气，让二氧化碳中的碳进入代谢。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNRCCMbZ6cDrIa1tic5HUsqGcGLLj99Nm6sjkVMSibdrLkdz86VpNNDPJICibplkpW8B3YibMibpfJpgIw/640?wx_fmt=jpeghttps://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHNb6e8ttFOdFAugobsKcy3PUz84fEaIwSBw1XkWicMFOqoibHU1k2EvicCtuwNdGXuKTNdCnP6IQ5Aww/640?wx_fmt=png LUCA的新陈代谢。团队研究了生命分子基本构件的生物合成所需的402个生物化学反应。每个圆圈代表一个反应，颜色则对应每个反应释放的能量。绿色表示释放能量，紫色则表示需要能量。| 图片来源：HHU / Jessica Wimmer
结果显示，LUCA的新陈代谢其实并不需要外部的能量来源，包括紫外线、陨击、火山喷发或者放射性等来源可能都不是必需的。相反，在许多现代海底热液喷口附近的典型环境中，代谢反应所需的能量来自代谢本身。换句话说，LUCA生命的能量源自生命本身。
他们观察到，最佳能量条件落在了pH在9左右的碱性条件、温度约80℃的环境中，同时需要氢气来固定二氧化碳。事实上，这差不多正是我们在大西洋中部的一个产生氢气的热液场观察到的典型情况。在那样的环境中，大约95-97%的LUCA的代谢反应可以自发进行。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHMiceFhviarQbuQ8zhzIr7gSq89EiauuvYInPhcqWTCIXGeYH2ENhkvibBuYlXQ35smic49y5MH5CsEibjg/640?wx_fmt=png
在热液系统所处的无尽黑暗中，氢气就好比一种“化学阳光”，为暗无天日的地方带去了生机。
研究的第一作者Jessica Wimmer表示：“关于生命起源的能量来源，我们可以说，纯化学能已经足够了。或许并不需要阳光，不需要陨石，不需要紫外线，只要氢气和二氧化碳，再加上一些氨和盐。”
#创作团队：
文：Måka
#参考来源：
https://www.hhu.de/en/news-article/life-arose-on-hydrogen-energyhttps://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2021.793664/fullhttps://cosmosmagazine.com/science/biology/what-fuelled-the-origins-of-life#图片来源：
封面来源：Pixabay
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