生命起源的化学演化_生命起源的关键证据，德国科学家发现生命起源的天然催化剂

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 / 赵佳明

制作/《科学焦点》编辑部

澳大利亚鲨鱼湾的叠层石。叠层石通常是由一些微生物创造的，特别是蓝细菌，它们是地球上最早出现的生命形式之一，但这种地球“早期先民”是怎么来的，科学家还不知道。（图片来源：Paul Harrison）

生命是如何起源的，这个问题一直困扰着科学家，甚至也是大众日常最关注的一个未解之谜。达尔文的“进化论”虽然解释了生物有从低级向高级演化的现象，但依旧无法解释，地球生命“始祖”是怎么来的。因此，科学家提出了各种各样的假说。

有的人认为，生命起源于自然界中的无生命物质，你可以理解成“生命是从石头缝里蹦出来的”—— 无生源论；有的人认为，生命来源于外太空，是陨石撞击地球，带来了外太空的生命物质 —— 有生源说；还有的人认为，生命源自于 RNA——“RNA 世界”假说。他们认为，DNA 通过 RNA 来合成蛋白质，那么早期地球上可能存在一些 RNA，也能合成蛋白质。要知道，蛋白质可是生命的基础。

已知最早的地球生命是一些微生物，它们被发现于海底热泉附近。这些微生物最早可能生活在 42.8 亿年前，而地球仅仅是在 45 亿年前形成的。

这些假说各有各的理，谁也说服不了谁。其中，最被人们普遍接受的应该就是“生命起源于海底热泉”的“原始汤”假说了。简单来说，生命起源于原始地球的“一碗汤”。

海底热泉又叫海底热液喷口，因为它看起来就像是立在海底的一根根冒着黑烟或白烟的烟囱。从这些喷口中喷出的都是高温高盐的溶液，附近的水温可达 400℃。照理说，在这么高的温度下，不可能有生命存在。怎么还会有人认为，生命起源于海底热泉呢？科学家认为，这跟早期地球大气层的构成有关。你可能已经知道，现今地球的大气层是由氮气、氧气、二氧化碳、臭氧等多种气体构成的，臭氧形成臭氧层，具有隔离紫外线辐射的作用。但是，早期的地球大气构成可不一样，那时候地球大气中不含臭氧，因此地球表面的紫外线辐射特别强烈。这样的环境是根本不可能诞生生命的。不过，海底的情况可就不一样了 —— 海水代替了现今臭氧层的角色，为生命穿上了一层“防护服”。海底成了地球生命诞生的温床。

那为什么就认定说，生命起源于海底热泉呢？如果把生物比作一台机器的话，机器想要正常运转，就需要能量来驱动，或是烧汽油，或是烧煤。生物也一样，想要正常运转，也需要能量。在中学生物课中，我们都学过，在细胞中有一种叫线粒体的细胞器，它是为生物提供能量的地方。

科学家已经在海底热泉附近发现了氢离子的定向移动，而线粒体就是利用氢离子的定向移动来产生能量的。因此，那些主张生命起源于海底热泉的科学家就认为，生活在海底热泉附近的生物获取能量的方式和线粒体产生能量的方式是一模一样的。这样，早期生命在海底热泉起源就有了能量来源，再加上从海底热泉喷口喷出的大量含有 C、H、O 和金属的溶液，又给生命起源提供了物质基础。

有了材料、有了能量，又安全，这就好比要做一锅汤，食材、炉灶都准备好了，点火熬汤就等着美味的汤出锅吧。

生命就好像这锅汤，很可能就在海底热泉附近起源了。毕竟，这样完美的条件在其他环境中可是从没发现过的。

在海底热泉附近，存在构成生命的物质、能量来源，再加上适合的环境，就能证明生命起源于海底热泉吗？答案是否定的。还有一个很关键的要素，我们仍不清楚 —— 催化剂，生成生命物质的化学反应需要催化剂的存在。

2023 年 2 月，发表于《自然-通讯》（Nature Communication）的一项研究，发现了早期生命起源时的重要的“酶”，为证明生命起源于海底热泉增添了新证据。

德国马克斯・普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的科学家利用 Ni-Fe 合金的纳米粒子，在 25°C 和 2.5 兆帕的条件下，催化氢气和二氧化碳转化为甲酸盐、乙酸盐和丙酮酸盐。另外，在室温下，通过 C-13 标记的丙酮酸也可以在一小时内进一步转化为乙酸、对丙酮酸和柠檬苹果酸。这些都是乙酰辅酶 A 途径的重要中间产物，乙酰辅酶 A 途径是最古老的一种固定二氧化碳的途径，许多微生物就通过这一途径生长，早期生命可能也是如此。

在之前的研究中，科学家已经知道，在酶的催化作用下，通过乙酰辅酶 A 途径，二氧化碳和氢气可以很快转化为甲酸盐、乙酸盐和丙酮酸。在海底热泉附近，即使没有酶存在，Ni-Fe 合金也能代替酶发挥作用，生成乙酰辅酶 A 的中间产物，把二氧化碳固定和三羧酸循环（保障生命运转的重要反应循环，与各种代谢和生命物质的合成有关）联系了起来。

另一些研究发现，即使缺乏三羧酸循环酶，一些微生物也能够正常生长。

不过，二氧化碳固定与三羧酸循环之间的联系，科学家一直没有发现。这次的研究正弥补了这一点 —— 通过 C-13 标记，发现丙酮酸在 Ni-Fe 合金的催化作用下，可以迅速转化乙酸、对丙酮酸和柠檬苹果酸，参与到三羧酸循环中。这就证明了，在天然金属催化剂的作用下，经过二氧化碳的固定反应，可以获得高碳数的有机物，这是生命的基础。原生金属和热液合金镍铁矿可以替代生物途径中几种酶的功能。也就是说，海底热泉附近也有催化生成生命物质反应的酶，这为生命起源于海底热泉又增添了坚实的证据。

现在你已经知道了，早期地球海洋中的海底热泉附近具有当时最适合生命诞生的环境条件，生命可能起源于海底热泉。但这都是研究人员提出的假说，跟前面的几个假说一样，还没有直接的证据能够证实，虽然有相关研究的佐证，但都不属于直接证据，还需要研究人员的进一步研究和发现。