科学家概述了理解生命起源的新策略

拓破天峙

科学家概述了理解生命起源的新策略。信用:Unsplash/CC0公共领域

（）据奥柏林学院：最初的生命形式是什么样的？在一篇新观点文章中，科学家描述了一种通过研究电子传递链的最早进化来回答这个问题的策略，电子传递链是一种具有非常古老历史的普遍代谢策略。这篇论文发表在美国国家科学院学报上。

尽管取得了几十年的进步，生命的起源仍然是科学中尚未解决的重大问题之一。“生物学的最基本特征，即生物体由细胞组成，它们通过DNA传递遗传信息，它们使用蛋白酶来运行新陈代谢，都是通过非常早期的进化历史中的特定过程出现的，”奥柏林学院生物学副教授Aaron Goldman说。

“了解这些最基本的生物系统最初是如何形成的，不仅会让我们更深入地了解生命在最基本的层面上是如何工作的，还会让我们更深入地了解生命最初到底是什么，以及我们如何在地球之外寻找生命。”

生命最初是如何出现的问题通常是通过模拟早期地球环境的实验室实验来研究的，并寻找能够产生与我们今天在生物体中看到的相同类型的生物分子和代谢反应的化学物质。这被称为“自下而上”的方法，因为它适用于前地球上已经存在的材料。虽然这些所谓的“前生物化学”实验成功地证明了生命“可能”是如何起源的，但它们无法告诉我们生命实际上是如何“确实”起源的。

与此同时，其他研究使用进化生物学的技术，根据今天生命的数据，重建早期生命形式可能的样子。这被称为“自上而下”的方法，可以告诉我们地球上生命的历史。

然而，自上而下的研究只能追溯到今天生物中仍然保守的基因，因此不能一直追溯到生命的起源。尽管有其局限性，自上而下和自下而上的研究都旨在实现发现生命起源的共同目标，理想情况下，它们的答案应该集中在一组共同的条件上。

Goldman、Laurie Barge(美国宇航局喷气推进实验室(JPL)天体生物学研究科学家)及其同事发表的一篇新文章试图弥合这一方法上的差距。作者认为，将自下而上的关于生命起源的合理途径的实验室研究与自上而下的早期生命形式的进化重建结合起来，可以用来发现生命如何真正起源于早期地球。

在他们的文章“电子传输链作为进入进化最早期阶段的窗口”中，作者描述了一个对当今生活至关重要的现象，可以通过结合自下而上和自上而下的研究来进行研究:电子传输链。

电子传递链是一种代谢系统，从细菌到人类，整个生命之树中的生物都利用它来产生可用形式的化学能。许多不同类型的电子传递链专门针对每种生命形式及其使用的能量代谢:例如，我们的线粒体包含一个与我们的异养(消耗食物)能量代谢相关的电子传递链；而植物有一个与光合作用(从阳光中产生能量)完全不同的电子传递链。

在整个微生物世界中，生物体使用与各种不同能量代谢相关的广泛的电子传递链。但是，尽管存在这些差异，作者描述了自上而下研究的证据，即这种代谢策略被最早的生命形式使用，他们提出了几个可以追溯到非常早期进化历史的祖先电子传递链模型。他们还调查了当前自下而上的证据，这些证据表明，即使在我们所知的生命出现之前，矿物和早期地球海水也可能促进了电子传递链状化学。

受这些观察的启发，作者概述了未来的研究策略，即综合自上而下和自下而上对电子传递链最早历史的研究，以便更好地了解古代能量代谢和更广泛的生命起源。

这项研究是JPL大学Barge领导的多研究所跨学科团队五年工作的高潮，旨在研究早期地球地质环境中代谢反应是如何出现的。

例如，该团队之前的工作研究了由矿物驱动的特定电子传递链式反应(由JPL研究科学家Jessica Weber领导)；古老的酶可能是如何在它们的活性部位结合了前生物化学的(由Goldman领导)；以及极端能量受限环境中的微生物代谢(由南加州大学的Doug LaRowe领导)。

“新陈代谢的出现是一个跨学科的问题，所以我们需要一个跨学科的团队来研究这个问题，”Barge说。“我们的工作利用了来自化学、地质学、生物学和计算建模的技术，将这些自上而下和自下而上的方法结合起来，这种合作对于未来的前生物代谢途径的研究将非常重要。”