科學家們假設生命源於熱泉。圖源：KNOWABLE MAGAZINE
導讀：
一些科學家指出，地球生命誕生伊始是地球化學讓位於生物化學的過程——且無需遺傳物質參與。RNA和DNA是後來才登場的。
Viviane Callier | 撰文
李璐 | 翻譯
李研 | 校譯
約四十億年前，我們的地球表面還只有汪洋與荒巖。在這樣的環境中，一些極為複雜的化學反應可能出現在池塘或深海熱泉中。最終，這些化學反應被包裹在膜結構中，形成了原始細胞，生命也從混沌中誕生。
但這一過程是怎樣發生的？在諸多未解之謎中存在著“先有雞還是先有蛋”的難題。在細胞內發生化學反應所需的蛋白質酶，需要根據遺傳物質（DNA或RNA）攜帶的指令來合成。然而在生命起源之初，這些遺傳分子尚未存在，合成它們本身就需要酶。
那麼，最初是什麼啟動了生命？
科學家長期以來提出的一種觀點認為，遺傳物質是最先出現的，以一種名為RNA分子的形式。這種DNA的近親的美妙之處在於它的多功能性：它既能催化化學反應，又能儲存遺傳資訊。因此，或許在地球表面的某個池塘中，有機分子因水份蒸發濃度升高，進而連線形成第一條RNA鏈。
但到目前為止，科學家們尚未能夠在模擬早期地球上簡單化學物的“湯”的實驗中成功合成RNA分子。位於悉尼的新南威爾士大學（University of New South Wales）的有機化學家Albert Fahrenbach表示：“雖然有一些報道闡明如何實現這一點，但這些方法總顯得有點牽強。”雖然他也補充說，支持者認為這種困難本是在意料之中的。
在法國艾克斯–馬賽大學（Aix-Marseille University）從事生命起源與演化研究的化學家Robert Pascal指出，難以想象RNA這類能夠自我複製的鏈狀系統能夠自發形成。他表示，“我認為，現在真沒人相信這種可能性是存在。”
另一種假說認為，生物化學率先登場——它最初作為地球化學在細胞外演化。早期的化學反應無需酶的催化即可進行，只是速度極其緩慢。這些反應能夠推進，是因為在熱力學上是有利的，還可能受到了熱或金屬的加速作用。隨後，原始酶出現，進一步加快了生命最初的化學反應程序。
在地質的時間尺度上，地球化學反應變得更快更復雜，新的反應也不斷疊加。在這一過程中的某個節點，細胞膜以及以RNA或DNA形式出現的遺傳系統得以形成。地球化學由此演變為生物化學。
第二種假說直到最近才獲得了關鍵的實驗證據。但在過去幾年裡，研究人員已經能夠在實驗室中測試大量的化學混合物以及各種環境條件的組合，並找出了在無酶條件下複製細胞核心心代謝反應的路徑。
馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的地球化學家Susan Lang指出，這一地球化學先於生物化學的想法是“一個極具影響力的觀點”，她說，“我認為（科學家們）的確提供了大量的證據來支援這一觀點。”
早在1910年，俄羅斯生物學家Konstantin Sergejewitch Mereschkowsky就推斷，最早的細胞必須能將無機物轉化為有機物——即構成生命的物質。具體而言，這些原始細胞必須利用氫氣（H2）和二氧化碳（CO2）來合成像脂肪酸、糖類和氨基酸這樣的有機分子。
大約20年前，德國杜塞爾多夫大學（the University of Dusseldorf）的進化微生物學家Bill Martin和美國加州NASA噴氣推進實驗室的地球化學家Mike Russell提出，生命的起源地應該是適合發生這些關鍵反應的環境：深海熱泉的噴口。
在這些熱泉中，岩石中的鐵與水反應生成氫氣。而這些氫氣能夠和二氧化碳反應，生成細胞生化過程中重要的簡單有機分子：含單個碳原子的甲酸鹽、雙碳結構的醋酸鹽和具有三個碳原子的丙酮酸鹽。
在這一理論的指導下，2010年，Lang及其團隊在位於大西洋中部的“失落之城”熱泉場進行研究時，證實了在與沒有微生物活動的極端熱泉環境中，確實能夠產生有機小分子。
科學家們還注意到，這些熱泉噴口處的地球化學反應步驟，與現今熱泉附近生活的微生物利用二氧化碳和氫氣合成有機分子的方式完全相同。這與生物化學路徑最初起源於地球化學反應，之後才進化出酶的觀點一致。
實際上，這一特定的系列反應被稱為乙醯輔酶A途徑，在很早以前就已經被Martin及其同事發現。作為細菌和古菌這兩大生命基本類群共有的代謝途徑，它可一直追溯至地球所有生命的共同祖先。
然而，今天的微生物細胞需要127種酶來合成三碳丙酮酸。科學家們能否在實驗室中複製這一途徑，而不依賴酶，就像在生命誕生之初那樣？Martin、他當時的學生Martina Preiner、現任職於加拿大渥太華大學（the University of Ottawa）的化學家Joseph Moran，以及他們的同事，最近證明了他們確實能做到這一點。
在2020年發表的一篇報告中，Preiner在一系列能維持高溫的化學反應器中進行了實驗。她將二氧化碳放入這些反應器中，並加入不同配比的鐵或鎳與水，然後讓它們反應一整夜。
這是研究人員Preiner和Martin用來測試水、二氧化碳和一些金屬是否足以合成有機分子的化學反應器。來源：Bill Martin
Preiner的突破性進展在於，她發現一次只使用一種金屬，並控制反應中的氫氣濃度。完成這些操作後，反應器穩定地生成了甲酸鹽、醋酸鹽、丙酮酸鹽、甲醇和甲烷——這些也都是細菌的能夠合成的。
Martin表示：“這些金屬取代了127種酶，並精準產出與生物代謝路徑完全相同的五種產物”
科學家們強調，鐵和鎳都存在於深海熱泉中，它們可能有助於引導前生物反應。
更重要的是，這些金屬至今仍然出現在細胞內催化乙醯輔酶A途徑的酶中。Martin表示：“這些金屬是最早存在的，然後酶將金屬整合進來，但金屬依然是必不可少的催化劑。”
在原始地球上，金屬曾經極為豐富，尤其是鐵，幾乎無處不在。柏林夏裡特醫學院（Charité – Universitätsmedizin Berlin）的代謝研究員Markus Ralser表示：“你無法避開鐵參與的化學反應，這也是為什麼細胞內的化學反應中到處都有鐵的原因。”
熱泉中的岩石含有被稱為熱液孔隙的微小泡狀結構。這些空隙的礦物表面上的金屬（粉紅色圓圈）催化有機小分子的合成。或許正是這些激發了原始生物化學的進化。來源：N. MRNJAVAC 等，《化學研究通報》，2024年
Preiner、Martin和Moran在實驗中生成的丙酮酸，是細胞代謝另一關鍵環節：合成氨基酸和核苷酸。活細胞需要氨基酸連線成蛋白質，並且需要核苷酸來構建DNA和RNA。
製造這些物質的核心途徑被稱為逆三羧酸（TCA）迴圈，丙酮酸正是進入該迴圈中的關鍵物質之一。
近十年來，Moran一直努力在細胞外重現逆三羧酸迴圈。在他開始這項研究時，生命起源研究人員有很多偉大的想法，但很少有人在實驗中取得成功。他希望將他在化學催化領域的專業知識應用於這一領域中的重要問題中。
Moran認為主要的挑戰是，儘管逆三羧酸迴圈中的反應理論上是可行的——也就是說，化學性質最終會推動它們進行，就像重力會助力下坡行走——但有些反應需要很高的能量才能啟動。這些反應存在所謂的高活化能壁壘，就像在開始下坡之前需要爬上小山丘一樣。是否有可能在沒有酶的情況下克服這些活化能的阻礙？又需要什麼條件呢？
“我解決這個問題的方法來自化學催化開發和篩選的領域，即‘不要想得太複雜，設計一些具有可行性的實驗方案，透過並行開展大量實驗，我們就能以非常高效的方式憑藉經驗尋找答案。’”Moran解釋道。
從2015年開始，Moran和他的團隊（當時在法國斯特拉斯堡大學（the University of Strasbourg）工作，他目前仍在那裡就職）研究了逆三羧酸迴圈中的11個核心反應。，測試了他們能找到的每一種金屬和無機催化劑，在他們能想到的各種條件下進行實驗，包括不同的溫度和 pH 值、不同的金屬和礦物質的存在。
一些試管嘗試完成第一步反應：將丙酮酸轉化為草醯乙酸。另一些則嘗試進行下一個反應，將草醯乙酸轉化為蘋果酸，以此類推。除了逆三羧酸迴圈中的核心反應，科學家們最近還研究了從該迴圈的分支，那些可以合成核苷酸、氨基酸和磷酸糖類化合物的反應。
團隊使用自動化機制24小時不間斷地進行樣品實驗。“我們就這樣堅持了三年，”Moran回憶道。
2019年，Moran團隊報告稱，他們能夠在無酶條件下合成逆三羧酸迴圈11種代謝產物中的9種。他們還確定了使11個反應中的6個在同一試管中協同進行的實驗條件。Moran表示：“絕大多數反應及代謝過程看起來都很簡單，似乎可以在沒有酶的條件下發生。”但他也指出："但我們必須保持清醒：目前尚未找到能讓整個代謝系統自發形成的條件，我們只是實現了某些片段反應和特定步驟的模擬。"
儘管如此，Moran對重建無酶代謝體系的前景仍持樂觀態度。他指出，只需發揮一些創造力，就會識別出使一些較為棘手的反應得以發生的條件，例如將丙酮酸轉化為草醯乙酸的過程。
Preiner現任德國馬爾堡馬克斯·普朗克陸地微生物研究所（Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）的實驗室負責人，她評價說：“Joseph在過去十年中所做的工作令人矚目。這是近五十年來生命起源研究中最重要的成果之一，真正探究了在無酶條件下某些反應如何進行。”
在持續研究生命的化學起源過程中，Preiner和Moran轉而關注一類被稱為輔助因子或輔酶的小分子，它們在酶促反應中起輔助作用。
這些輔助因子極其重要。其中被稱為NAD＋的輔助因子可以在分子之間轉移電子，這也是反應過程中至關重要的環節；另一種名為SAM的輔助因子則在有機化合物的反應過程中負責甲基的遷移和取代。Preiner表示，“它們執行的任務雖然簡單，卻是新陳代謝中極其核心和重要的。”她還補充，很難想象這些輔助因子或類似的化學物質在生命早期未曾發揮作用。
科學家們希望瞭解這些輔助因子在生命起源階段可能扮演的角色，以及它們是如何逐漸從地球的地球化學過程過渡到生物化學過程之中的。
如今這些輔助因子仍具有類似酶的催化活性，甚至某些輔助因子能夠催化自身的生成。因此，Moran認為，這些輔助因子很可能在加速代謝反應中起到了關鍵作用。它們可能加快某些化學反應路徑的速度，從而幫助構建起一個生化網路。
科學家們還推測，一些輔助因子在細胞進化的關鍵一步中也發揮了作用，即基因的出現。她們指出，輔助因子NADH由兩個核苷酸組成，而核苷酸正是RNA和DNA的基本組成單元。
“正如我現在的設想，這些分子很可能在早期地球環境中被過度生成，從而承擔了不同的任務——其中一部分參與形成了RNA，另一部分則參與了代謝過程。”Preiner解釋道。
研究人員清楚，他們永遠無法準確瞭解生命的起源過程：他們如同考古學家或古生物學家一般，試圖從零星破碎的遺蹟中拼湊出遙遠的過去。正如Pascal所言，現存生命代謝系統從眾多可能的自催化化學體系中勝出並非必然。“這個結果並非唯一解，”他說，“我們還有無數其他可能性。
儘管如此，科學家已證明無需酶參與的代謝反應可以驚人地模擬深海熱泉微生物的代謝過程，這為一個世紀以來關於生命起源的理論提供了關鍵實證。如同古老岩石中的化石或墓葬中的器物，活細胞內的生化反應將我們與地球原始生命誕生之前的時代緊密相連。
原文標題At the dawn of life, did metabolism come first?，2025年4月10日發表於Knowable Magazine，《賽先生》獲授權翻譯併發布。
原文連結：https://knowablemagazine.org/content/article/living-world/2025/evolution-of-life-metabolism-first
版權宣告：
本文授權翻譯自Annual Reviews 旗下雜誌 Knowable Magazine，點選文末閱讀原文可訂閱其英文通訊。Annual Reviews是一家致力於向科研工作者們提供高度概括、綜合資訊的非營利性機構，且專注於出版綜述期刊。Annual Reviews官方中文微信公眾號已經上線，歡迎關注。
星標《賽先生》公眾號，
