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最初的化學反應(yīng)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(fā)現(xiàn)，原始生命用來拼湊細胞分子構(gòu)件的幾乎所有化學步驟都是能量釋放反應(yīng)。這確定了驅(qū)使這些反應(yīng)向前發(fā)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(nèi)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(yīng)。在計算機上，他們開發(fā)了一種分子考古學的形式，使他們能夠發(fā)現(xiàn)保存在蛋白質(zhì)、DNA和現(xiàn)代細胞化學反應(yīng)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(huán)境促進了產(chǎn)生新陳代謝和后來產(chǎn)生盧卡本身的化學反應(yīng)，以及驅(qū)動這些反應(yīng)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(yīng)所包含的信息。他們確定了402種代謝反應(yīng)，這些反應(yīng)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(yīng)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(yīng)繼續(xù)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(yīng)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(yīng)之間的簡單和古代現(xiàn)代細胞——細菌和古生菌——用來構(gòu)建生命的基石:20種氨基酸,DNA和RNA的基地,和18維生素(代數(shù)余子式)新陳代謝所必需的。在最原始的現(xiàn)代細胞中，在Wimmer的計算機分析中，這些化合物是由現(xiàn)代環(huán)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(jié)果得到了LUCA的代謝網(wǎng)絡(luò)。
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(yīng)開始的時候，還沒有蛋白質(zhì)或酶來催化反應(yīng)，因為它們還沒有進化。代謝必然來自于環(huán)境中可能發(fā)生的反應(yīng)，也許是借助無機催化劑。但不管是否有催化劑，為了繼續(xù)進行，反應(yīng)必須釋放能量。這些能量從何而來?關(guān)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(yīng)。”為了找到代謝反應(yīng)中的能量來源，研究小組計算了在每個反應(yīng)中釋放或消耗的自由能，也稱為吉布斯能。
結(jié)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(fā)或放射性。相反，在許多現(xiàn)代海底熱液噴口的典型環(huán)境中，新陳代謝反應(yīng)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(yīng)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(guān)聯(lián)的反應(yīng)，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(jié)論，研究小組必須首先使用模擬不同環(huán)境條件的計算機程序研究402個反應(yīng)的能量學，以便區(qū)分能量有利和不利的組合。這一點很重要，因為反應(yīng)是否釋放能量通常取決于環(huán)境條件。他們調(diào)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(yīng)物相對數(shù)量的產(chǎn)品。他們特別注意氫的能量作用。Wimmer:“沒有氫，什么也不會發(fā)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(chǎn)h2的熱液場。在這樣的環(huán)境中，大約95% - 97%的盧卡代謝反應(yīng)可以自發(fā)進行，也就是說，不需要任何其他能量來源。在水熱系統(tǒng)的深海黑暗中，H2是化學陽光。現(xiàn)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(shù)經(jīng)驗，而我們才剛剛開始。”
Jessica Wimmer補充說:“關(guān)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(wǎng)絡(luò)中的化學反應(yīng)極其保守，我們可以對產(chǎn)生盧卡的反應(yīng)獲得一些有趣的見解，盡管它生活在40億年前。”
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