科学家探索从“地化作用”到“生化作用”的演变
08.08.2014 17:30
本文来源: 科学技术厅
——科学家探索从“地化作用”到“生化作用”的演变
本报记者 常丽君 综合外电
炽热的碱液，就像“失落之城”的生态系统，或许是解开生命起源之谜的钥匙。
今日视点
想象力或许是我们拥有的最强大工具，可以创造未来，也可以构建过去的历史，尤其是用来探索生命的起源。生命离不开能量，进化的引擎最初是如何打开的？德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学和英国伦敦大学学院科学家在近日出版的《科学》杂志上发表论文，对此进行了专题探讨。
海底的生化反应
所有生物要维持生命运作，都要通过化学反应来释放能量。在生化反应放出能量的过程中，有各种各样的反应物和生成物。进化至今，ATP（三磷酸腺苷）成为生物新陈代谢中的最主要能量载体。自从35亿年前第一个原核生物出现在地球上，生化反应就持续不断地进行着，那时的生物还不需要氧气。是什么点燃了最初的生化反应，从此打开了生命进化的引擎呢？
新研究提出，古微生物的能量收集系统是当今世界大尺度地球化学过程的一个缩影：海底热碱液气孔中的离子浓度变化，就像“失落之城”的生态系统，依旧活跃在中大西洋底，是一直燃烧着的生命化学反应。
在本研究中，德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学分子进化研究所的威廉·马丁和英国伦敦大学学院遗传、进化与环境研究所的尼克·兰恩等人研究了产烷生物和它们进化过程中的化学反应。这些微生物的能量机制被称为“氢假说”，它们能用H+（氢离子）的电子还原CO2（二氧化碳）合成ATP，产生乙酸盐或甲烷。它们能量代谢的共同之处在于，都是用最原始的固定CO2的方式。
氢气版线粒体
现代细胞的新陈代谢是分解糖，细胞是通过内共生的线粒体，依靠氧气进行氧化还原反应来产生能量。而马丁看到，在真核细胞中一群产甲烷菌（Methogens）紧靠着氢酶体，他推测这些产甲烷菌是靠氢酶体产生的氢气存活。
氢酶体类似于氢气版的线粒体，也能产生能量，本身不含有任何自己的基因组。马丁推测，它们之间的融洽关系可能几十亿年前就存在——不是作为真核寄主细胞的“寄生民”，而是生活在寄主“能量车间”里的“自由民”。
那些需要“未来线粒体”的寄主没有完整细胞核，而是原核的、依赖氢气的产烷生物。当时的“未来线粒体”是一种兼性厌氧真菌，同时也变成了氢酶体。
本研究提出，是线粒体创造了细胞核，并由此产生了真核细胞。这一过程包含了大量转移，线粒体将自身的大部分遗传物质给了寄主，扩增了最初的基因序列成为染色体，同时进化了细胞骨架，为复杂的分裂循环做好准备。
在共生问题中，是寄主从其“寄民”那里“偷”了基因，还是“寄民”把基因捐给了寄主，只不过是相对而言。同样道理，“吞食”还是“感染”也是相对，甚至神经元“派发”到各处的各种神经传导素是废物、礼物还是刺激物，也看从哪个角度来说。
从“地化过程”到“生化过程”
尼克·兰恩更多揭示了线粒体在细胞过程中的作用，他在专著《能量、性与自杀》一书中总结了大量线粒体与生命意义方面的观点。他观察到许多“氢假说”的例子，现在已成为普遍接受的事实。他指出，用那些保留下来的少数基因，只在线粒体基因组中局部复制，让细胞可以在不同的区域迅速调整它们的能量输出。比如在神经元延伸树突过程中，可能有利于其结构改变和记忆形成。
探索生命起源，我们需要返回去，想象真核合并以前发生了什么。马丁和兰恩合作提出了他们观点，一些地球化学过程，包括海底热液气孔的离子浓度变化、随意传递和后来的H+、Na+离子交换，这些过程随后在细胞内部加速、压缩，变得更加高效。
在一系列地球化学反应中，海水渗透到海洋地壳中，形成发热的氧化亚铁（Fe2+）和氧化铁（Fe3+），并释放出氢气和能量。生成了强还原环境，使流出的碱液pH值保持在10左右，基本能控制孔中的液体成分。而在现代自养生物（自营养和生产性细胞）中，也自发形成了同样量级和方向的天然的质子浓度。
海底气孔具有天然的化学渗透特征，线粒体中也发生着化学渗透，离子随浓度高低而流动，由此可能产生能量。在生命的例子中，广泛利用了多种工具泵，如ATP酶，在ATP中能量以磷酸键的形式存储起来。如果最早的ATP酶利用了这些碱液孔浓度，第一步可能包括了简单的H+/Na+对向运输。这种机制可能改变了初始浓度，变成了产乙酸菌和产烷生物目前所用的Na+浓度。这些复合体仍然用铁—硫簇和甲基团做基质，它们可能导致了原核生物自由生命的出现。
本文来源: 科学技术厅
08.08.2014 17:30
