地球生命起源故事被改写：颠覆性研究指出，生命可能“诞生”了两次

资深作者威廉·马丁（William Martin）精辟地总结了这一发现：“我们看到的是遗传密码的一个起源，但却是生命的两个起源。”

LUCA并非完全“活着”

传统的生命之树将LUCA描绘为位于树根的一个单细胞生物。而新研究描绘了一幅复杂得多的图景。研究团队比较了细菌和古菌所有主要类群的基因组，追溯了为核心代谢提供动力的酶的起源。核心代谢是一组化学反应，即从氢、二氧化碳、氨和磷酸盐等简单分子构建氨基酸、RNA碱基和辅因子的过程 。

他们发现，LUCA只拥有约420个核心代谢反应中大约一半所需的酶。另一半反应并非由酶催化，而是由热液喷口环境中天然存在的金属（如铁、镍和钴）催化 。这意味着LUCA无法在没有外部帮助的情况下维持自身代谢——它不是独立自主的、自由生存的细胞。

“令人惊讶的是，催化这些反应的酶，在细菌和古菌之间的进化分界线上并未被保留下来，”马丁对《科学美国人》表示 。

早期催化的四个阶段

研究人员重构了从非生命化学到现代细胞的催化演化四阶段 ：

1. 纯金属反应阶段： 在最早期，纯粹的无机金属催化了简单的代谢反应。
2. 金属-酶混合阶段（LUCA时期）： LUCA出现，它拥有一些原始酶，但核心代谢仍依赖环境金属。
3. 分化阶段： 细菌和古菌的祖先开始分裂，各自继承了LUCA部分的酶工具箱。
4. 独立酶演化阶段： 细菌和古菌各自独立演化出全新的、结构不同的酶，用来替代缺失的金属催化剂——每个世系都以不同的方式解决了相同的代谢问题。

这种酶的独立演化正是关键的证据，证明细菌和古菌是在其演化路径已经分化之后，才分别独立完成向自由生存、自主细胞的过渡的 。

ATP出现之前，早期生命如何获取能量

现代细胞使用三磷酸腺苷（ATP）作为通用能量货币。但ATP本身就是一种由酶制造的复杂分子——在生命出现之前的早期地球上，它并不存在。那么，最初的代谢反应靠什么驱动呢？

研究确定了一个出人意料的候选者：亚磷酸盐（phosphite），这是一种在热液喷口中发现的磷的形式。当亚磷酸盐与有机物反应，并由天然存在的钯金属催化时，就能在水中驱动代谢所需的磷酸化反应。这个系统可以在酶和ATP存在之前为早期代谢提供能量，从而提供了一个从地球化学到生物化学的合理化学路径 。

重塑生命之树

传统的生命之树将LUCA置于一个单一的树干基部，所有生命由此分支。新发现则描绘了一幅截然不同的图景 ：

• 遗传密码的一个起源。 所有生命都从LUCA那里继承了单一的遗传机制——相同的DNA、RNA和基本的蛋白质构建机器。
• 自由生命的两个起源。 从非生命化学向自主、自我维持细胞的过渡，在细菌和古菌世系中分别独立发生了两次。

这意味着“生命之树”更像是一株灌木，从同一个非生命的“地基”上长出了两个独立的树干。该研究的作者直言不讳地写道：“新数据只能得出一个结论：细菌和古菌世系独立地过渡到了自由生存状态。只有自由生存的细胞才是‘活着’的。我们不妨直说：我们看到的是遗传密码的一个起源，但却是生命的两个起源。”

这对寻找地外生命意味着什么

如果生命能在地球上“诞生”不止一次，那将为天体生物学提出深刻的问题。这一发现表明，从非生命化学到细胞的飞跃，可能比我们之前认为的更容易实现——或者反过来说，它可能需要非常特定的环境条件，比如热液喷口中独特而丰富的金属化学环境 。

研究的局限与待解之谜

尽管这项研究令人瞩目，但仍存在一些局限。分析严重依赖于细菌的基因组数据；古菌基因组的采样不够全面，这可能会影响结论的完整性。此外，亚磷酸盐和钯在早期代谢中的角色，目前只是一个合理的化学模型，尚未被确凿证实为古老的代谢路径 。实验室中尚未实现从金属催化反应到酶驱动代谢的完整人工系统演示。

尽管如此，这项研究仍对生命最初代谢网络如何搭建提供了迄今最细致的重构之一——它表明，生命的起源可能比任何人想象的都要更混乱、更具偶然性，也更加非凡。