生命進化中“遺忘”的化學反應再現

生命起源是科學界迄今無法破解的謎團。其中一個關鍵問題是，地球上生命的歷史有多少被“遺忘”了？某個物種通過生化反應逐漸消失很常見，如果這種情況發生很多物種中，那么生命化學史上可能會充斥著缺失的反應。現在，日本東京工業大學地球生命科學研究所和美國加州理工學院團隊，正在揭示從簡單化學分子到復雜生物分子過程中，這些被“遺忘”的化學反應。相關研究成果發表在《自然·生態與進化》上。

新陳代謝是“細胞跳動的心臟”。新研究追溯了從原始地球到現今地球的新陳代謝歷史。化合物的發現史（白線）隨時間呈周期性，幾乎類似于心電圖。
圖片來源：NASA戈達德太空飛行中心/ESA

早期地球富含硫化氫、氨和二氧化碳等簡單化合物。數十億年前，這些簡單分子是生命誕生的原材料來源。隨著進化，生化過程逐漸將這些前體轉化為至今仍能發現的化合物。這是最早的代謝途徑。

為了解地球上生命進行過哪些類型的化學反應，團隊需要一份所有已知生化反應的清單。根據數據庫已編目的超過12000種生化反應，他們開始模擬新陳代謝的逐步發展。

以往這類研究始終未能產生生命使用的最廣泛、最復雜的分子。解決這一問題的方法是人為加入現代化合物，推動停滯的化學反應。研究人員在廣泛分析搜尋后，找到了整個生命化學中最重要的分子之一：三磷酸腺苷 （ATP）。

ATP是細胞的能量貨幣，但它具有獨特的屬性：形成ATP的反應本身需要ATP。換句話說，除非ATP已經存在，否則當今的生命沒有其他方式來制造ATP。這種循環依賴性，是模型停止的原因。

團隊此次解決了“ATP瓶頸”。事實證明，ATP的反應部分與無機化合物多磷酸鹽非常相似。通過允許ATP生成反應使用多磷酸鹽代替ATP，幾乎所有當代核心代謝都可實現。然后，團隊成員可估計所有常見代謝物出現的歷史年代，并推進有關代謝途徑的深入研究。

研究人員指出，人們可能永遠無法確切知道，究竟有多少生化反應隨時間流逝而消失。但新研究獲得了一個重要證據：只需要8種新反應，就可將地球化學和生命化學聯系起來。這意味著，即使是已經消失的反應也能從現代生化反應留下的線索中重新發現。