沒有磷酸鹽的生命——謎團解開了?

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波士頓的科學家們可能已經解決了一個懸而未解之迷:在沒有磷酸鹽的早期地球上,生命是如何演化的。科學家知道,磷酸鹽對今天的大部分生物過程至關重要。這項研究引發一個有趣的問題——是否存在古老的硫基新陳代謝為出現今天的生命奠定了基礎?

磷酸鹽對所有現代生命形式都是必不可少的。從提供DNA中的主鏈,到驅動細胞的能量源三磷酸腺苷(ATP),磷酸鹽是關鍵的生物結構單元。這種化學物質參與新陳代謝、生命的化學反應,沒有磷酸鹽,生命是很難想象的。

但是科學家認為,在生命起源以前是沒有這種物質的。

這是一個類似先有雞還是先有蛋的難題。地球磷酸鹽主要存在於一些穩定的礦物質中,諸如細菌之類的生命形式,必須要使用複合生物酶才能提取出它。但是沒有磷酸鹽,這些生物酶又是怎麼演化而來的呢?

為了回答這個問題,研究人員使用稱為“系統生物學”的理論方法,來探索無磷酸鹽代謝。這樣的代謝系統可能早於我們已知最早的祖先,並提供從現成的化學品中出現生命的途徑。在這項發表於《細胞》(Cell)雜誌的研究中,由Daniel Segrè領導的團隊,一開始先構建了一個大型資料庫,包含來自地球整個生物圈的所有已知的生化反應。

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接下來,從中除去所有含有磷酸鹽或任何含磷的化學物質和反應。然後,從被認為是早期生命能獲得的八種化學物質組成的“種子”組開始,使用計算機模擬開始觀察這些簡單的分子如何反應,以形成新的代謝物。

隨著這些反應產生了新的化學物質,其規模變得越來越大,包括315個反應和260個代謝物的連線網路。其中包括現代細胞用於構建蛋白質的20個氨基酸中的10個,以及細胞用於代謝糖分的幾個成分。

結果發現,這種無磷酸鹽反應的新網路富含鐵-硫簇,對所謂的“鐵硫世界假說”提供了有力支援——該理論認為這些容易獲得的化合物可能是生命開端所必需的。

該研究團隊還發現,一種稱為硫酯的硫基化合物,可能會起到磷酸鹽在現代生物化學中發揮的一些作用。當被稱為泛醯巰基乙胺的含硫化學物質包含於該體系中時,並與用於電子轉移的無磷酸鹽的機製一起,反應產生了尿嘧啶和核糖等成分——這是RNA中的一些關鍵成分。

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“在我們的研究之前,其他研究人員提出了基於硫的早期生物化學,暗示最早的生命無需磷酸鹽,”Segrè指出,“到目前為止,缺少的是這些早期生物過程的資料證據(而不是分散的反應),這些證據可以構成一個高度聯絡和相對豐富的原始代謝網路。

這項研究並沒有提供直接的實驗證據,去回答生物的最大奧祕之一。這種無磷的生物化學藍圖,給我們描繪了一幅景象:生命起源之前地球的簡單分子,與當前世界常見的無磷酸鹽有機體之間,所缺失的聯絡。

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