失落的反应：Cell封面文章确认地球生命起源的“代谢化石”

地球上的生命从何而来？面对这一论题，不同宗教不同学派都曾提出诸多假想。最近，美国波士顿大学对生命起源问题取得了新的研究突破。在笔者展开阐明之前，请诸君脑洞大开，尽情想象（PS：肯定不是从垃圾堆里捡来的，也不是充话费送的）。

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生命如何起源，在诸多神话故事和宗教典籍中都有记载，例如《山海经》中的女娲造人和《圣经》中的上帝创造万物，这些是最早出现的神创论。随着人类对自身和世界认识的进步，人们又提出了宇宙生命论以及自然发生论，前者认为生命来自宇宙，而后者认为生物可以由非生物产生，所谓“肉腐出虫，鱼枯生蠹”。随着自然科学的研究愈发深入，人们开始意识到化学在生命起源中的关键作用，也逐渐演变成化学起源说。这一假说认为，地球上的生命经历了漫长的时间，由非生命物质通过极其复杂的化学过程逐步演变而成，大致可以描述为：无机小分子→有机小分子→有机大分子→多分子体系→原始生命。

化学起源说为很多学者接受，获得了广泛支持，但也存在一些不好解决的问题。比如，生命体内的遗传物质核酸以及能量代谢的关键分子三磷酸腺苷（ATP）都含有磷酸基团，而地球上的磷酸盐主要存在于一些稳定的岩石和矿物中，对于简单的原始生命形式来说并不容易获得。这又演变成了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：较为复杂的原始生命形式要想合成关键的核酸和ATP，需要先有容易获得的磷酸来源；而要想容易地从稳定的岩石和矿物中获得这些磷酸盐，又要先有较为复杂的原始生命形式来支持。

众多的争论和假设中，有一个很有意思，既然找不到一个合理的途径将磷酸盐引入原始生物圈中，那就绕开磷酸盐这个难题，是否存在一种可能，在依赖磷酸的复杂生命形式出现之前，就已经存在某种原始生命形式，可以不依靠磷酸盐而生存？这一假说虽然能解决上面那个“鸡与蛋”难题，但到目前为止还缺乏系统的证据。最近，美国波士顿大学的Daniel Segrѐ教授团队通过系统生物学的研究方法证实了在磷酸盐引入生物体之前存在其他代谢途径，以硫元素为基础的多种催化与供能过程，而这种元素早在上亿年前便大量存在于海洋与地壳之中。其研究成果以封面文章的形式发表于Cell 上。

图片来源：Cell

乍一看张封面图，一堆火柴，和生命起源有什么关系？这里简单解释一下，在我们现在以磷为原料的安全火柴诞生之前，早期火柴的重要原料就是硫磺。Cell用火柴这种由硫到磷的进化，来隐喻生命由硫到磷的起源过程。（看看，不好好学化学，搞不好连个生命科学顶刊的封面图都看不懂……）

文章概要示意图。图片来源：Cell

说来硫元素是生物早期代谢过程的核心元素这一假说并非新鲜事，早在20世纪初期就有德国生物化学家Günter Wächtershäuser提出硫化铁或硫化镍可以催化深海火山中碳元素的固定反应。然而受当时技术条件的限制，对于硫参与的代谢过程还缺乏直接依据及数据支持加以证实。

于是Daniel Segrѐ等人基于该课题组建立的模型和算法，利用系统生物学理论对生态系统中可能存在的生物化学反应进行全面分析。他们首先去掉了所有与磷酸盐及磷元素有关的反应和代谢物，然后以八种生命初期容易获得的化合物（水、二氧化碳、硫化氢、氨等，不含磷酸盐，见下图）为初始种子集，利用网络扩展算法来模拟基于这些物质发生的所有可能的代谢过程和代谢产物。结果表示，这个扩展后的代谢网络中包含相互高度联系的315种化学反应以及260种代谢产物，其中不乏许多生命活动过程所必须的反应和物质，如氨基酸生物合成、丙酮酸代谢、三羧酸循环（TCA）等。

不依赖于磷酸盐存在的代谢网络。图片来源：Cell

除此之外，统计分析显示这一网络的大部分酶含有铁-硫簇和过渡金属辅酶，为“现代生物化学起源于地球矿物化学”提供了有力证明。他们还指出，这一代谢网络中的硫酯可能会起到类似磷酸基团在现代生物代谢反应中的作用，解决原始生命形式的生化反应中的能量瓶颈问题，这为生命起源初期维持原始生命形式正常的生存与繁衍奠定了基础，直至磷酸盐得以进入代谢网络中实现生命体的逐步进化。

就像是古生物学家找到生物进化路线上某种关键的化石一样，Segrѐ等人这一研究结果，找到了生命起源过程中的“代谢化石”，连接上了含磷酸基团原始生命形式与简单分子之间失落的那一环。

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Remnants of an Ancient Metabolism without Phosphate  

Cell, 2017, 168, 1126, DOI: 10.1016/j.cell.2017.02.001