生命进化中“遗忘”的化学反应再现

科技日报记者 张梦然

生命起源是科学界迄今无法破解的谜团。其中一个关键问题是，地球上生命的历史有多少被“遗忘”了？某个物种通过生化反应逐渐消失很常见，如果这种情况发生很多物种中，那么生命化学史上可能会充斥着缺失的反应。现在，日本东京工业大学地球生命科学研究所和美国加州理工学院团队，正在揭示从简单化学分子到复杂生物分子过程中，这些被“遗忘”的化学反应。相关研究成果发表在《自然·生态与进化》上。

新陈代谢是“细胞跳动的心脏”。新研究追溯了从原始地球到现今地球的新陈代谢历史。化合物的发现史（白线）随时间呈周期性，几乎类似于心电图。

图片来源：NASA戈达德太空飞行中心/ESA

早期地球富含硫化氢、氨和二氧化碳等简单化合物。数十亿年前，这些简单分子是生命诞生的原材料来源。随着进化，生化过程逐渐将这些前体转化为至今仍能发现的化合物。这是最早的代谢途径。

为了解地球上生命进行过哪些类型的化学反应，团队需要一份所有已知生化反应的清单。根据数据库已编目的超过12000种生化反应，他们开始模拟新陈代谢的逐步发展。

以往这类研究始终未能产生生命使用的最广泛、最复杂的分子。解决这一问题的方法是人为加入现代化合物，推动停滞的化学反应。研究人员在广泛分析搜寻后，找到了整个生命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，但它具有独特的属性：形成ATP的反应本身需要ATP。换句话说，除非ATP已经存在，否则当今的生命没有其他方式来制造ATP。这种循环依赖性，是模型停止的原因。

团队此次解决了“ATP瓶颈”。事实证明，ATP的反应部分与无机化合物多磷酸盐非常相似。通过允许ATP生成反应使用多磷酸盐代替ATP，几乎所有当代核心代谢都可实现。然后，团队成员可估计所有常见代谢物出现的历史年代，并推进有关代谢途径的深入研究。

研究人员指出，人们可能永远无法确切知道，究竟有多少生化反应随时间流逝而消失。但新研究获得了一个重要证据：只需要8种新反应，就可将地球化学和生命化学联系起来。这意味着，即使是已经消失的反应也能从现代生化反应留下的线索中重新发现。