激进的研究表明地球上的生命两次出现

你、我、或者任何生物能够来到这里，这一事实是 40 亿年前一系列令人惊讶的幸运之举。最大的障碍之一就是第一个：生命是如何从一锅根本没有生命的东西中出现的？发表在《科学进展》上的一项激进的新研究表明，这个不太可能的阈值实际上可能已经被跨越了不止一次，而是两次。根据这项新的研究，生命的两个主要谱系——细菌和古细菌——可能已经独立地弄清楚了新陈代谢的秘密，将它们从非生命升级为生命，该研究重点关注被认为能够实现这种转变的最基本的化学反应。德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的生物学家威廉·马丁说：“令人惊讶的是，催化这些反应的酶在细菌和古细菌的进化鸿沟中并不保守。” “新数据只留下一个结论。细菌和古细菌谱系独立地过渡到自由生活状态。只有自由生活的细胞才是活着的。让我们直呼其名吧：我们正在研究遗传密码的一个起源，但生命的两个起源。”这是一个巨大的主张，特别是在定义生命是什么的时候，甚至是非常棘手的。一般来说，生命被认为是对其环境做出反应、吸收能量、生长和自我繁殖的物质。听起来不错。就像它应该涵盖基础知识一样，但即使是这样广泛的陈述也是不完美的，但传统上认为病毒并不具有普遍性，即新陈代谢，即生物体用来制造对其日常功能至关重要的分子的化学反应，但这提出了一个奇怪的问题：酶本身就是化学反应的产物。 – 那么，第一个生命形式是如何在没有其他酶的帮助下开始代谢物质的，包括制造酶？人们普遍认为，第一个生命出现在极其活跃的环境中，例如这些地方自然存在的金属可能是新陈代谢的第一个催化剂，将氢气、氨和二氧化碳等化合物转化为其他有用的分子。遗传学、自催化、磷酸盐、辅助因子、氰化物、CO 2 和水，”Martin 及其同事在论文中写道。“然而，在一方面，所有人都会同意：将 H 2 、CO 2 、NH 3 、H 2 S 和磷酸盐转化为氨基酸、碱基和辅助因子的约 400 个反应网络不可能立即出现。 “它从自发的环境反应中出现必须经过组装的中间状态，而这在以前是难以捉摸的。”研究人员研究了细菌和古细菌基因组中核心代谢酶的蛋白质结构，并开发了一种方法和算法来对它们进行复杂性排序。从那里，他们可以确定哪些进化顺序，并整理出一个粗略的时间表。起始化合物显示在左侧；它们通过新陈代谢转化为生命的组成部分。 420个酶促反应用圆圈表示，化学代谢物用菱形表示；线连接共享代谢物的反应。洋红色阴影中显示的圆圈表示可能由第一个细胞代谢发生的环境中的无机化合物催化的反应。 （HHU/Nadja Hoffmann）“我们发现所有细胞的最后一个通用祖先 LUCA 只拥有参与大约一半新陈代谢反应的酶，”马丁说。 “另一半是由 LUCA 产生的环境中的金属催化的。”研究小组发现催化（酶驱动反应）的发展可能有四个不同的阶段。第一个完全依赖于环境中的金属。一旦积累了足够的有用分子，尚未完全存活的原始细胞（包括 LUCA）就可以开始开发自己的酶，这些酶可以执行这些金属催化剂的一些功能。随着时间的推移，后来的原始细胞产生了越来越多的酶，减少了它们对外部金属的依赖，直到它们根本不再需要它们。只有到那时，它们才被视为“自由生活的细胞”。研究人员表示，重要的是，这种情况直到细菌和古细菌分离后才发生。这两个分支想出了自己的方法来解决同样的问题。海因里希海涅大学的生物学家 Natalia Mrnjavac 说：“我们可以看到细菌和古细菌的祖先独立进化出结构不同的酶来催化相同的基本代谢反应。”