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生命起源時的第一個化學(xué)反應(yīng)是如何開始的？它們的能量來源是什么？德國杜塞爾多夫大學(xué)（HHU）的研究人員重建了現(xiàn)代生物分化前的最后共同祖先“露卡”（縮寫為LUCA）的新陳代謝。他們發(fā)現(xiàn)并確定了長期尋求的、推動這些反應(yīng)向前發(fā)展所需的能量來源，它就是一直隱藏在眾目睽睽之下的氫氣。

LUCA的代謝。研究小組調(diào)查了生命分子構(gòu)建塊的生物合成所需的402種生化反應(yīng)。每個圓圈代表一個反應(yīng)，它的顏色代表每個反應(yīng)釋放的能量。綠色表示釋放能量，紫色表示需要能量。圖源：HHU / 杰西卡·維默

在實驗室中，HHU分子進(jìn)化研究所的威廉·馬丁教授團(tuán)隊使用海底熱液噴口中發(fā)現(xiàn)的催化劑和條件進(jìn)行化學(xué)實驗，以研究氫氣與二氧化碳之間的反應(yīng)。他們在計算機(jī)上開發(fā)了一種分子考古學(xué)形式，使他們能夠發(fā)現(xiàn)保存在現(xiàn)代細(xì)胞的蛋白質(zhì)、DNA和化學(xué)反應(yīng)中的許多不同的原始生命痕跡。

研究人員此次不是著眼于基因，而是著眼于生命本身化學(xué)反應(yīng)中所包含的信息。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變化。因為這些反應(yīng)對所有細(xì)胞都是共同的，所以它們也存在于LUCA中。

在最原始的現(xiàn)代細(xì)胞中，一些化合物由現(xiàn)代環(huán)境中存在的簡單分子合成，這些分子也存在于早期地球的熱液噴口中：氫、二氧化碳和氨——這代表著LUCA的代謝網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)表在《微生物學(xué)前沿》上的研究結(jié)果表明，LUCA的新陳代謝不需要外部能源，例如紫外線、隕石撞擊、火山爆發(fā)等。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)向前發(fā)展所需的能量源于新陳代謝本身。換句話說，幾乎所有LUCA的新陳代謝反應(yīng)都是自己釋放能量的：生命的能量源于生命本身。

研究人員解釋稱，在“失落之城”——大西洋中部產(chǎn)生氫氣的熱液場環(huán)境中，大約95%—97%的LUCA代謝反應(yīng)可以自發(fā)地進(jìn)行，不需要任何其他能源。在熱液系統(tǒng)的黑暗深淵中，氫氣是“化學(xué)陽光”?，F(xiàn)代能源技術(shù)正在研究利用與生命完全相同的氫特性。只是生命擁有40億年的“氫技術(shù)經(jīng)驗”，而人類才剛剛起步。

總編輯圈點

LUCA，現(xiàn)存生物的共同的基本祖先，一個沒有留下過化石痕跡的實體。熱液生態(tài)系統(tǒng)，則位于黑暗冰冷的洋底。那里并不寂寞，甚至生機(jī)勃勃，活躍著管狀蠕蟲、海葵等生物。研究人員使用海底熱液噴口中發(fā)現(xiàn)的催化劑和條件進(jìn)行化學(xué)實驗，確定了一些自生命起源以來就幾乎沒有變化過的代謝反應(yīng)，并推斷LUCA的新陳代謝不需要外部能源，和熱液噴口生態(tài)系統(tǒng)一樣，它們用氫能。這一發(fā)現(xiàn)不僅在解答生命起源之謎，也為人類提供了氫能源利用的一種高級又原始的思路——仿生。

來源：科技日報

◎ 科技日報記者 張夢然

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