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现代的主流观点认为，地球上的生命大约起源于35亿年前，它们通过长久的自然进化，演变成了现如今千差万别的生命，造就了缤纷繁茂的生命之树。但是，所有这些令人眼花缭乱的地球生命，在本质上却都有着许多惊人的共通之处。
比如，生命都是由在遗传物质指导下合成的蛋白质构成的，蛋白质就如同生命的“积木”。所有蛋白质本身都由氨基酸链构成，这些氨基酸链在三维空间中会获得更复杂的形态（折叠等），从而产生“无限”的变化，演变出不同类型，参与几乎所有生命活动。
此外，生物氧化还原反应也统一了生命之树的新陈代谢。这些新陈代谢反应离不开一系列酶（蛋白质）的催化。酶能“搬运”电子，促使食物转化为能量，这些酶的出现甚至有可能比细胞生物还要早。可以说，地球上的生命都是由一系列酶催化的电子转移反应驱动的，它们包括氧化还原酶超家族。
然而，这些蛋白质的起源和进化仍然是个谜。大多数现代氧化还原酶的结构和化学特征都很复杂。从逻辑上说，现存的参与新陈代谢的蛋白质，应该是从一些古老而简单的折叠进化而来的，这些折叠通过重复的基因复制、补充和多样化等方式，从一个普遍的共同祖先，或几种独立的起源，变得越来越复杂。
近日，罗格斯大学的科学家预测出了最古老的新陈代谢蛋白质的样子。他们找到了两个对新陈代谢起源具有重要意义的折叠：铁氧还蛋白（Fd）折叠和类罗斯曼（Rossmann-like）折叠。有证据表明，这两个折叠可能共享一个共同的祖先，它可能在新陈代谢起源的非常早期阶段，进化出了帮助电子转移和催化的功能。该研究已于近日发表在《美国国家科学院学报》上。
○ 可能是进化中最古老的新陈代谢蛋白质的示意图。| 图片来源：Vikas Nanda/Rutgers University
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正如文章开头所说，我们目前认为生命起源于约35亿年前的太古宙，但那样古老的古氧化还原酶早已消失，也很难通过化石证据等方式来找到它们。
科学家把这样一个挑战交给了数学模型预测。他们希望从现在的情况中获取线索，来推断出这些酶的古老祖先的样子。对蛋白质来说，通过序列来追溯进化历程是十分困难的，但科学家发现，蛋白质的三维拓扑结构的变化比序列变化更为缓慢。
于是，研究团队选择通过量化和比较一些现有蛋白质的结构，来确定是否可以从中“反推”出共同祖先的形态。他们在全球数据库中检索了负责新陈代谢的现代蛋白质，并将它们分解成最小的功能片段。每个普通的小片段可能都负责某一项任务，比如结合铁、铜或其他金属。接着，他们筛选出一些特定的片段，这些片段在一系列更大的结构中都有出现——这就像找到所有汽车都通用的螺母和螺栓一样。
当团队最终通过比对和量化绘制出酶片段的“图谱”时，就像拼出了一张数千块拼图组成的图画，他们发现两种折叠最终出现在了图的中心。铁氧还蛋白折叠能将铁与硫结合，另一种类罗斯曼折叠能帮助DNA核心部分核苷酸连接。
○ 研究构建的氧化还原酶超家族的“图谱”，在图的中心是两种关键的折叠。（图中部分信息省略，更详细图谱可见参考来源[3]。）| 图片来源：Raanan et al./PNAS
这种“中心状态”意味着，它们与周围的酶都联系紧密，这或许就是当今地球上广泛而精细的蛋白质结构的基础。反过来，这也表明，这两个片段很可能在时间轴上出现得更早。作为第一批推动化学反应的酶，它们为其他后出现的酶提供了进行工作所必需的副产品。
通过比较蛋白质拓扑学和现代氧化还原酶序列，团队推断出，这两种折叠可能存在一个在新陈代谢初期的共同祖先。
研究的共同作者、生物学家Vikas Nanda表示，他们的预测会在实验室中进行测试，他们正在构建蛋白质模型，并测试它们是否能引发早期新陈代谢的关键反应。
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Nanda在接受Discover采访时表示，早期地球的条件为研究的结论提供了一些令人信服的支持证据。例如，地质学家认为，早期的海洋充满了铁，所以核心酶与铁元素有关就说得通。随着海洋中这种金属元素逐渐减少，生命就必须学会与其他金属一起工作，如铜和镍，而这些物质也出现在了研究绘制的酶“图谱”的外围。
为了确认酶片段是否可以独立工作，Nanda和团队组装并测试过一些片段：“一开始我怀疑这是否行得通。我以为我们必须对它们‘呵护有加’，才能让它们发挥作用。”
然而出乎意料的是，在模拟的实验环境中，这些酶片段似乎非常“耐用”，能够单独移动电子。Nanda认为这在某种程度上也解释得通：“如果你是早期海洋岩石表面上的一段小肽链，没有细胞能保护你，你不得不顽强求生。”
团队现在认为，今天之所以存在的更大、更复杂的酶——也就是由那些通用的螺母和螺栓制成的更完整的汽车——是因为生命变得更复杂了，蛋白质必须与越来越多的分子进行交流而进化出来。
他们计划继续深入挖掘这份连接图谱，图中的每一个连接，都代表了为实现一个新功能而进化出的东西。每一个连接其实都是一种自然的选择。
我们对地球上的生命起源知之甚少，这项研究不仅能帮助我们更好地了解地球生命的起源，或许也能为在其他地方搜寻生命时，提供一些化学信号的指引。
参考来源：[1] https://phys.org/news/2020-03-scientists-blocks-life.html[2] https://www.discovermagazine.com ... red-earths-earliest[3] https://www.pnas.org/content/early/2020/03/17/1914982117