2021 年 12 月 13 日——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?杜塞爾多夫海因里希海涅大學(xué) (HHU) 的研究人員重建了最后一個普遍共同祖先 LUCA 的新陳代謝。他們發(fā)現(xiàn)，原始生命用來拼湊細(xì)胞分子構(gòu)建塊的幾乎所有化學(xué)步驟都是能量釋放反應(yīng)。這確定了推動這些反應(yīng)向前發(fā)展所需的長期尋求的能量來源，它一直隱藏在顯眼的地方。只要包含一種必需的起始化合物，合成生命組成部分所需的能量就來自新陳代謝本身。生命起源時從內(nèi)部釋放能量的秘密成分是所有能量載體中最清潔、最環(huán)保、最新和最古老的：2.
HHU 分子進(jìn)化研究所的 William Martin 教授團(tuán)隊研究了早期地球上生命是如何以及在何處出現(xiàn)的。他們的方法是實驗性和計算性的。在實驗室中，他們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 (CO2 )之間的反應(yīng)。在計算機(jī)上，他們開發(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。
在他們的最新工作中，他們研究了什么樣的化學(xué)環(huán)境促進(jìn)了產(chǎn)生新陳代謝的化學(xué)反應(yīng)，后來又促進(jìn)了 LUCA 本身，以及驅(qū)動這些反應(yīng)所需的能量來自哪里。為此，他們不是著眼于基因，而是著眼于生命本身的化學(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。他們闡明了原始生命如何處理新陳代謝中的能量，以及它從何處獲得使生命的化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行所需的能量。
該研究所的博士生、新論文的第一作者杰西卡·威默 (Jessica Wimmer) 對 LUCA 代謝反應(yīng)的能量平衡特別感興趣，因為所有生命都需要能量。為此，她制作了現(xiàn)代細(xì)胞中簡單而古老的 402 種反應(yīng)的目錄——細(xì)菌和古細(xì)菌——用來構(gòu)建生命的基石：20 種氨基酸、DNA 和 RNA 的堿基，以及 18 種維生素(輔助因子) ) 對新陳代謝至關(guān)重要。在最原始的現(xiàn)代細(xì)胞中，在 Wimmer 的計算機(jī)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)果是 LUCA 的代謝網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)被問及這項新研究的核心問題背后的動機(jī)時，杰西卡·威默 (Jessica Wimmer) 說：“我們想知道推動原始新陳代謝向前發(fā)展的能量來自哪里。在大約 40 億年前代謝反應(yīng)開始時，沒有蛋白質(zhì)或酶來催化反應(yīng)，因為它們還沒有進(jìn)化。代謝必須從環(huán)境中可能發(fā)生的反應(yīng)中產(chǎn)生，也許在無機(jī)催化劑的幫助下。但是催化劑與否，為了繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)必須釋放“能量。能量從哪里來?文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多關(guān)于代謝能量可能來源的建議。但沒有人研究過代謝本身的反應(yīng)。”為了尋找代謝反應(yīng)中的能量來源，該團(tuán)隊計算了自由能的數(shù)量，
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