科學家探索從“地化作用”到“生化作用”的演變

熾熱的堿液，就像“失落之城”的生態系統，或許是解開生命起源之謎的鑰匙。

　　想象力或許是我們擁有的最強大工具，可以創造未來，也可以構建過去的歷史，尤其是用來探索生命的起源。生命離不開能量，進化的引擎最初是如何打開的？德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學和英國倫敦大學學院科學家在近日出版的《科學》雜志上發表論文，對此進行了專題探討。

　　海底的生化反應

　　所有生物要維持生命運作，都要通過化學反應來釋放能量。在生化反應放出能量的過程中，有各種各樣的反應物和生成物。進化至今，ATP（三磷酸腺苷）成為生物新陳代謝中的最主要能量載體。自從35億年前第一個原核生物出現在地球上，生化反應就持續不斷地進行著，那時的生物還不需要氧氣。是什么點燃了最初的生化反應，從此打開了生命進化的引擎呢？

　　新研究提出，古微生物的能量收集系統是當今世界大尺度地球化學過程的一個縮影：海底熱堿液氣孔中的離子濃度變化，就像“失落之城”的生態系統，依舊活躍在中大西洋底，是一直燃燒著的生命化學反應。

　　在本研究中，德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學分子進化研究所的威廉·馬丁和英國倫敦大學學院遺傳、進化與環境研究所的尼克·蘭恩等人研究了產烷生物和它們進化過程中的化學反應。這些微生物的能量機制被稱為“氫假說”，它們能用H+（氫離子）的電子還原CO2（二氧化碳）合成ATP，產生乙酸鹽或甲烷。它們能量代謝的共同之處在于，都是用最原始的固定CO2的方式。

　　氫氣版線粒體

　　現代細胞的新陳代謝是分解糖，細胞是通過內共生的線粒體，依靠氧氣進行氧化還原反應來產生能量。而馬丁看到，在真核細胞中一群產甲烷菌（Methogens）緊靠著氫酶體，他推測這些產甲烷菌是靠氫酶體產生的氫氣存活。

　　氫酶體類似于氫氣版的線粒體，也能產生能量，本身不含有任何自己的基因組。馬丁推測，它們之間的融洽關系可能幾十億年前就存在——不是作為真核寄主細胞的“寄生民”，而是生活在寄主“能量車間”里的“自由民”。

　　那些需要“未來線粒體”的寄主沒有完整細胞核，而是原核的、依賴氫氣的產烷生物。當時的“未來線粒體”是一種兼性厭氧真菌，同時也變成了氫酶體。

　　本研究提出，是線粒體創造了細胞核，并由此產生了真核細胞。這一過程包含了大量轉移，線粒體將自身的大部分遺傳物質給了寄主，擴增了最初的基因序列成為染色體，同時進化了細胞骨架，為復雜的分裂循環做好準備。

　　在共生問題中，是寄主從其“寄民”那里“偷”了基因，還是“寄民”把基因捐給了寄主，只不過是相對而言。同樣道理，“吞食”還是“感染”也是相對，甚至神經元“派發”到各處的各種神經傳導素是廢物、禮物還是刺激物，也看從哪個角度來說。

　　從“地化過程”到“生化過程”

　　尼克·蘭恩更多揭示了線粒體在細胞過程中的作用，他在專著《能量、性與自殺》一書中總結了大量線粒體與生命意義方面的觀點。他觀察到許多“氫假說”的例子，現在已成為普遍接受的事實。他指出，用那些保留下來的少數基因，只在線粒體基因組中局部復制，讓細胞可以在不同的區域迅速調整它們的能量輸出。比如在神經元延伸樹突過程中，可能有利于其結構改變和記憶形成。

　　探索生命起源，我們需要返回去，想象真核合并以前發生了什么。馬丁和蘭恩合作提出了他們觀點，一些地球化學過程，包括海底熱液氣孔的離子濃度變化、隨意傳遞和后來的H+、Na+離子交換，這些過程隨后在細胞內部加速、壓縮，變得更加高效。

　　在一系列地球化學反應中，海水滲透到海洋地殼中，形成發熱的氧化亞鐵（Fe2+）和氧化鐵（Fe3+），并釋放出氫氣和能量。生成了強還原環境，使流出的堿液pH值保持在10左右，基本能控制孔中的液體成分。而在現代自養生物（自營養和生產性細胞）中，也自發形成了同樣量級和方向的天然的質子濃度。

　　海底氣孔具有天然的化學滲透特征，線粒體中也發生著化學滲透，離子隨濃度高低而流動，由此可能產生能量。在生命的例子中，廣泛利用了多種工具泵，如ATP酶，在ATP中能量以磷酸鍵的形式存儲起來。如果最早的 ATP酶利用了這些堿液孔濃度，第一步可能包括了簡單的H+/Na+對向運輸。這種機制可能改變了初始濃度，變成了產乙酸菌和產烷生物目前所用的Na+濃度。這些復合體仍然用鐵—硫簇和甲基團做基質，它們可能導致了原核生物自由生命的出現。