細菌與古菌各自獨立演化成自由細胞——生命起源可能發生了兩次

資深作者威廉·馬丁（William Martin）言簡意賅地總結了這項發現：「我們看到的是遺傳密碼的一個起源，但生命有兩個起源。」

LUCA 並非完全「活著」

傳統描繪中，LUCA 是一株單一生物，位在生命之樹的根部。新研究勾勒出遠比這複雜得多的圖景。研究團隊比對了所有主要細菌與古菌類群的基因組，追溯那些驅動核心代謝——即從氫氣、二氧化碳、氨和磷酸鹽等簡單分子建構胺基酸、RNA 鹼基與輔因子所需的化學反應——的酵素起源 。

他們發現，LUCA 僅擁有約 420 個核心代謝反應中一半的酵素。另一半並非由酵素催化，而是由深海熱泉環境中自然存在的金屬（如鐵、鎳、鈷）所催化 。這意味著 LUCA 若無外在協助，根本無法維持自身代謝——它不是一個自主、自由生活的細胞。

馬丁告訴《科學美國人》（Scientific American）：「令人驚訝的是，催化這些反應的酵素，在細菌與古菌之間的演化鴻溝上並沒有被保留。」

早期催化的四個階段

研究人員重建了一個從無生命化學過渡到現代細胞的四階段催化演化歷程 ：

1. 純金屬反應：在最早期階段，純無機金屬催化了簡單的代謝反應。
2. 金屬-酵素混合階段（LUCA 時期）：LUCA 出現，擁有某些原始酵素，但仍依賴環境金屬進行許多必要的反應。
3. 分歧：細菌與古菌的祖先開始分道揚鑣，各自繼承了 LUCA 不完整的酵素工具組。
4. 獨立酵素演化：細菌與古菌各自獨立演化出全新的、結構上截然不同的酵素，來取代缺失的金屬催化劑——兩條演化線以不同的方式解決了相同的代謝問題。

這種酵素的獨立演化，正是細菌與古菌在演化路徑分岔後，各自獨立過渡為自由自主細胞的關鍵證據 。

在 ATP 出現之前，早期生命如何獲取能量

現代細胞以三磷酸腺苷（ATP）作為通用的能量貨幣。但 ATP 是一種由酵素製造的複雜分子——在生命出現之前、沒有酵素的原始地球上，它並不存在。那麼，最初的代謝反應由什麼驅動？

這項研究找出了一個出人意料的候選者：亞磷酸鹽（phosphite），一種存在於深海熱泉中的磷形態。當亞磷酸鹽與有機化合物發生反應，並由自然存在的鈀（palladium）金屬催化時，可以在水中驅動代謝所需的磷酸化反應。這個系統可能在酵素和 ATP 出現之前，就為早期代謝提供了動力，從而建立了一條從地質化學通往生物化學的可行化學途徑 。

重新定義生命之樹

傳統的生命之樹將 LUCA 置於單一主幹的基部，所有生命由此分支。新發現提出了一個截然不同的圖景 ：

• 遺傳密碼的單一起源。所有生命共享來自 LUCA 的單一遺傳繼承——同樣的 DNA、RNA 和基本的蛋白質製造機制。
• 自由生命的雙重起源。從無生命化學到自主、自給自足細胞的過渡，在細菌與古菌兩個支系中分別獨立發生了兩次。

這意味著「生命之樹」可能更像一叢灌木，從一個共同的非生命基礎上長出兩根各自獨立的主幹。研究作者直言：「新數據只留下一個結論：細菌與古菌支系各自獨立地過渡到自由生活狀態。只有自由生活的細胞才是活著的。實話實說：我們看到的是遺傳密碼的一個起源，但生命有兩個起源。」

這對搜尋外星生命意味著什麼

如果生命在地球上可能不只一次出現，這將為天體生物學帶來深遠的疑問。這項發現暗示，從無生命化學到活細胞的跳躍，可能比過去想像的更容易達成——或者反過來說，它可能需要非常特定的環境條件，例如深海熱泉獨特的富金屬化學環境 。

侷限與未解之謎

儘管這項研究令人矚目，但仍存在一些限制。該分析高度依賴細菌的基因組數據；古菌基因組的取樣相對不夠全面，這可能影響結論。此外，亞磷酸鹽和鈀在早期代謝中所扮演的角色，目前僅是一個合理的化學模型，尚未被證實為古老的代謝途徑 。目前也尚未有實驗室實驗，能在合成系統中完整演示從金屬催化反應過渡到酵素驅動代謝的全過程。

儘管如此，這項研究仍提供了迄今為止對生命最早代謝網絡如何組裝的最詳盡重建之一——而它暗示，生命的起源可能比任何人想像的都要更混亂、更充滿偶然、也更令人驚嘆。