科学家揭开了写在生命化学中的数十亿年史诗

生命是从早期地球上的简单地球化学过程进化而来的。然而，这种转变的细节仍然是个谜。在这项研究中，研究人员模拟了从简单的地球化学前体开始的代谢途径的出现，并得出结论，代谢史上很少有反应可能随着时间的推移而消失。

　　

地球上生命的起源长期以来一直是困扰着科学家的一个谜。一个关键的问题是地球上有多少生命的历史随着时间的流逝而消失了。单个物种通过生化反应“逐渐消失”是很常见的，如果这种情况发生在足够多的物种中，这样的反应可能会被地球上的生命“遗忘”。但是，如果生物化学的历史充斥着被遗忘的反应，我们有什么办法来判断吗?这个问题启发了东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)和美国加州理工学院(CalTech)的研究人员。他们推断，在化学从简单的地球化学分子到复杂的生物分子的过程中，被遗忘的化学会以不连续或“断裂”的形式出现。

早期的地球富含简单的化合物，如硫化氢、氨和二氧化碳——这些分子通常与维持生命无关。但是，数十亿年前，早期生命依靠这些简单的分子作为原料来源。随着生命的进化，生物化学过程逐渐将这些前体转化为今天仍然存在的化合物。这些过程代表了最早的代谢途径。

为了模拟生物化学的历史，ELSI的研究人员——特别任命的副教授Harrison B. Smith，特别任命的副教授Liam M. Longo和副教授Shawn Erin McGlynn，与加州理工学院的研究科学家Joshua Goldford合作——需要对所有已知的生化反应进行盘点，以了解生命能够进行哪些类型的化学反应。他们求助于《京都基因与基因组百科全书》数据库，该数据库记录了超过12000种生化反应。有了反应，他们开始模拟新陈代谢的逐步发展。

以前试图用这种方式模拟新陈代谢进化的尝试一直未能产生当代生活中使用的最广泛、最复杂的分子。然而，原因并不完全清楚。就像以前一样，当研究人员运行他们的模型时，他们发现只有少数化合物可以产生。解决这个问题的一种方法是通过人工提供现代化合物来推动停滞的化学反应。研究人员选择了一种不同的方法:他们想要确定有多少反应缺失。他们的搜寻把他们带回了生物化学中最重要的分子之一:三磷酸腺苷(ATP)。

ATP是细胞的能量货币，因为它可以用来驱动反应，比如构建蛋白质，否则这些反应不会在水中发生。然而，ATP有一个独特的性质:形成ATP的反应本身需要ATP。换句话说，除非ATP已经存在，否则今天的生命没有其他方法来制造ATP。这种循环依赖是模型停止的原因。

如何解决这个“ATP瓶颈”?事实证明，ATP的活性部分与无机化合物聚磷酸盐非常相似。通过允许生成ATP的反应使用聚磷酸盐而不是ATP——总共只修改了8个反应——几乎所有当代核心代谢都可以实现。然后，研究人员可以估计所有常见代谢物的相对年龄，并就代谢途径的历史提出有针对性的问题。

其中一个问题是，生物通路是以线性方式建立起来的——一个反应接一个反应以顺序的方式加入——还是这些通路的反应像马赛克一样出现，其中年龄迥异的反应连接在一起形成新的东西。研究人员能够量化这一点，发现这两种类型的途径在所有代谢过程中几乎同样常见。

但回到激发这项研究的问题——多少生物化学在时间中消失了?史密斯说:“我们可能永远不会确切知道，但我们的研究得出了一个重要的证据:只需要八种新的反应，它们都让人想起常见的生化反应，就能架起地球化学和生物化学的桥梁。”“这并不能证明缺失的生物化学空间很小，但它确实表明，即使是已经灭绝的反应，也可以从现代生物化学留下的线索中重新发现，”史密斯总结道。