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　　想象力或許是我們擁有的最強大工具，可以創(chuàng)造未來，也可以構(gòu)建過去的歷史，尤其是用來探索生命的起源。生命離不開能量，進化的引擎最初是如何打開的？德國杜塞爾多夫海因里?！ずＤ髮W(xué)和英國倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家在近日出版的《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，對此進行了專題探討。

　　海底的生化反應(yīng)

　　所有生物要維持生命運作，都要通過化學(xué)反應(yīng)來釋放能量。在生化反應(yīng)放出能量的過程中，有各種各樣的反應(yīng)物和生成物。進化至今，ATP（三磷酸腺苷）成為生物新陳代謝中的最主要能量載體。自從35億年前第一個原核生物出現(xiàn)在地球上，生化反應(yīng)就持續(xù)不斷地進行著，那時的生物還不需要氧氣。是什么點燃了最初的生化反應(yīng)，從此打開了生命進化的引擎呢？

　　新研究提出，古微生物的能量收集系統(tǒng)是當今世界大尺度地球化學(xué)過程的一個縮影：海底熱堿液氣孔中的離子濃度變化，就像“失落之城”的生態(tài)系統(tǒng)，依舊活躍在中大西洋底，是一直燃燒著的生命化學(xué)反應(yīng)。

　　在本研究中，德國杜塞爾多夫海因里?！ずＤ髮W(xué)分子進化研究所的威廉·馬丁和英國倫敦大學(xué)學(xué)院遺傳、進化與環(huán)境研究所的尼克·蘭恩等人研究了產(chǎn)烷生物和它們進化過程中的化學(xué)反應(yīng)。這些微生物的能量機制被稱為“氫假說”，它們能用H+（氫離子）的電子還原CO2（二氧化碳）合成ATP，產(chǎn)生乙酸鹽或甲烷。它們能量代謝的共同之處在于，都是用最原始的固定CO2的方式。

　　氫氣版線粒體

　　現(xiàn)代細胞的新陳代謝是分解糖，細胞是通過內(nèi)共生的線粒體，依靠氧氣進行氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生能量。而馬丁看到，在真核細胞中一群產(chǎn)甲烷菌（Methogens）緊靠著氫酶體，他推測這些產(chǎn)甲烷菌是靠氫酶體產(chǎn)生的氫氣存活。

　　氫酶體類似于氫氣版的線粒體，也能產(chǎn)生能量，本身不含有任何自己的基因組。馬丁推測，它們之間的融洽關(guān)系可能幾十億年前就存在——不是作為真核寄主細胞的“寄生民”，而是生活在寄主“能量車間”里的“自由民”。

　　那些需要“未來線粒體”的寄主沒有完整細胞核，而是原核的、依賴氫氣的產(chǎn)烷生物。當時的“未來線粒體”是一種兼性厭氧真菌，同時也變成了氫酶體。

　　本研究提出，是線粒體創(chuàng)造了細胞核，并由此產(chǎn)生了真核細胞。這一過程包含了大量轉(zhuǎn)移，線粒體將自身的大部分遺傳物質(zhì)給了寄主，擴增了最初的基因序列成為染色體，同時進化了細胞骨架，為復(fù)雜的分裂循環(huán)做好準備。

　　在共生問題中，是寄主從其“寄民”那里“偷”了基因，還是“寄民”把基因捐給了寄主，只不過是相對而言。同樣道理，“吞食”還是“感染”也是相對，甚至神經(jīng)元“派發(fā)”到各處的各種神經(jīng)傳導(dǎo)素是廢物、禮物還是刺激物，也看從哪個角度來說。

　　從“地化過程”到“生化過程”

　　尼克·蘭恩更多揭示了線粒體在細胞過程中的作用，他在專著《能量、性與自殺》一書中總結(jié)了大量線粒體與生命意義方面的觀點。他觀察到許多“氫假說”的例子，現(xiàn)在已成為普遍接受的事實。他指出，用那些保留下來的少數(shù)基因，只在線粒體基因組中局部復(fù)制，讓細胞可以在不同的區(qū)域迅速調(diào)整它們的能量輸出。比如在神經(jīng)元延伸樹突過程中，可能有利于其結(jié)構(gòu)改變和記憶形成。

　　探索生命起源，我們需要返回去，想象真核合并以前發(fā)生了什么。馬丁和蘭恩合作提出了他們觀點，一些地球化學(xué)過程，包括海底熱液氣孔的離子濃度變化、隨意傳遞和后來的H+、Na+離子交換，這些過程隨后在細胞內(nèi)部加速、壓縮，變得更加高效。

　　在一系列地球化學(xué)反應(yīng)中，海水滲透到海洋地殼中，形成發(fā)熱的氧化亞鐵（Fe2+）和氧化鐵（Fe3+），并釋放出氫氣和能量。生成了強還原環(huán)境，使流出的堿液pH值保持在10左右，基本能控制孔中的液體成分。而在現(xiàn)代自養(yǎng)生物（自營養(yǎng)和生產(chǎn)性細胞）中，也自發(fā)形成了同樣量級和方向的天然的質(zhì)子濃度。

　　海底氣孔具有天然的化學(xué)滲透特征，線粒體中也發(fā)生著化學(xué)滲透，離子隨濃度高低而流動，由此可能產(chǎn)生能量。在生命的例子中，廣泛利用了多種工具泵，如ATP酶，在ATP中能量以磷酸鍵的形式存儲起來。如果最早的ATP酶利用了這些堿液孔濃度，第一步可能包括了簡單的H+/Na+對向運輸。這種機制可能改變了初始濃度，變成了產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)烷生物目前所用的Na+濃度。這些復(fù)合體仍然用鐵—硫簇和甲基團做基質(zhì)，它們可能導(dǎo)致了原核生物自由生命的出現(xiàn)。