科学家揭示生命化学中记载的数十亿年史诗

地球上生命的起源一直是科学家无法破解的谜团。一个关键问题是地球上生命的历史有多少被时间遗忘了。单一物种通过生化反应“逐渐消失”是很常见的，如果这种情况发生在足够多的物种中，那么这种反应实际上可能会被地球上的生命“遗忘”。

但是，如果生物化学史充斥着被遗忘的反应，我们有什么办法可以分辨呢?这个问题启发了东京工业大学地球生命科学研究所 (ELSI) 和美国加州理工学院 (CalTech) 的研究人员。他们推断，被遗忘的化学反应将表现为化学从简单的地球化学分子到复杂的生物分子的路径上的不连续性或“断裂” 。

早期地球富含硫化氢、氨和二氧化碳等简单化合物，这些分子通常与维持生命无关。但数十亿年前，早期生命依赖这些简单分子作为原材料来源。随着生命的进化，生化过程逐渐将这些前体转化为至今仍能发现的化合物。这些过程代表了最早的代谢途径。

为了模拟生物化学的历史，ELSI 的研究人员——特聘副教授 Harrison B. Smith、特聘副教授 Liam M. Longo 和副教授 Shawn Erin McGlynn 与加州理工学院的研究科学家 Joshua Goldford 合作——需要一份已知生化反应的清单，以了解生命能够进行哪些类型的化学反应。

他们求助于京都基因和基因组百科全书数据库，该数据库已编目了超过 12,000 种生化反应。掌握了这些反应后，他们开始对新陈代谢的逐步发展进行建模。

以前以这种方式模拟新陈代谢进化的尝试始终未能产生当代生命使用的最广泛、最复杂的分子。然而，原因尚不完全清楚。和以前一样，当研究人员运行他们的模型时，他们发现只能产生少量化合物。这项研究发表在《自然生态与进化》杂志上。

解决这个问题的一个方法是通过手动提供现代化合物来推动停滞的化学反应。研究人员选择了一种不同的方法：他们想确定有多少反应缺失。他们的搜寻使他们找到了整个生物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，因为它可用于驱动反应(如构建蛋白质)，而这些反应在水中是不会发生的。然而，ATP 具有一个独特的属性：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。这种循环依赖性是该模型停止的原因。

如何解决这一“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(总共只需修改八个反应)，几乎所有当代核心代谢都可以实现。然后，研究人员可以估计所有常见代谢物的相对年龄，并提出有关代谢途径历史的尖锐问题。

其中一个问题是，生物通路是否以线性方式建立——即一个反应接一个反应以连续方式添加——或者通路反应是否以马赛克形式出现，即不同时期的反应结合在一起形成新的东西。研究人员能够量化这一点，发现这两种类型的通路在整个代谢过程中几乎同样常见。

但回到激发这项研究的问题——有多少生物化学随着时间的流逝而消失了?“我们可能永远无法确切知道，但我们的研究得出了一个重要的证据：只需要八种新反应，它们都让人想起常见的生化反应，就可以将地球化学和生物化学联系起来，”史密斯说。

史密斯总结道：“这并不能证明缺失的生物化学空间很小，但它确实表明，即使是已经消失的反应也可以从现代生物化学留下的线索中重新发现。”