新研究揭示了氢是如何在生命起源时提供能量的

在冰雪中的玫瑰

图片来自Lost City热液区的Sulis地层，这是一个产生氢气的碱性热液喷口。资料来源：南卡罗来纳州大学苏珊·朗/NSF/ROV Jason 2018伍兹霍尔海洋研究所

（）据杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（阿尔恩·克劳森）：氢气是一种清洁的燃料。它与空气中的氧气一起燃烧，提供不含二氧化碳的能量。氢是未来可持续能源的关键。尽管人类刚刚开始意识到氢气（化学简写为H2）的好处，但微生物已经知道，只要地球上有生命，H2就是一种很好的燃料。氢是古老的能源。

地球上最早的细胞是由热液喷口产生的H2生存的，利用H2与CO2的反应来制造生命分子。通过H2和CO2的反应而茁壮成长的微生物可以生活在完全黑暗的环境中，栖息在诡异的原始栖息地，如深海热液喷口或地壳深处的热岩层，许多科学家认为生命本身就是在这些环境中产生的。

PNAS报道了关于地球上第一批细胞如何利用H2作为能源的令人惊讶的新见解。这项新研究来自杜塞尔多夫大学的William F.Martin和马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所（MPI）的Martina Preiner团队，并得到了德国和亚洲合作者的支持。

为了获取能量，细胞首先必须将H2中的电子大力推向上坡。该研究的三位第一作者之一Max Brabender解释道：“这就像要求河流向上而不是向下流动，所以细胞需要工程解决方案。”。15年前，Wolfgang Buckel和他在马尔堡的同事Rolf Thauer才发现细胞是如何解决这个问题的。

他们发现，细胞将氢中的两个电子发送到不同的路径。一个电子走得很远，走得很远以至于它启动了一个滑轮（或虹吸管），可以有力地将另一个电子拉向上坡。这个过程被称为电子分岔。在细胞中，它需要几种酶将电子向上输送到一种古老而重要的生物电子载体——铁氧还蛋白。

这项新的研究表明，在pH值为8.5的情况下，“不需要蛋白质，”该研究的合著者Buckel解释道，“H2的H–H键在铁表面分裂，产生被碱水消耗的质子和电子，然后很容易直接转移到铁氧还蛋白。”

在酶或细胞出现之前，能量上的上坡反应在早期进化中是如何发挥作用的，这一直是一个非常棘手的难题。Martin说：“有几种不同的理论提出了在电子分叉起源之前，环境可能是如何将电子从能量上推向铁氧还蛋白的，我们已经确定了一个非常简单的过程，它在热液喷口的自然条件下有效。”

自从发现电子分岔以来，科学家们发现这一过程在以H2为生的微生物中既古老又绝对必要。对于像Martina Preiner这样具有进化思想的化学家来说，令人烦恼的问题是：在出现复杂的蛋白质之前，H2是如何被用于CO2固定途径的？

“金属提供了答案，”她说，“在生命开始时，在古老的环境条件下，金属可以将H2中的电子发送到山上，我们可以看到现代细胞生物学中保存的原始化学遗迹。”但光有金属是不够的。Preiner实验室的第一作者Delfina Pereira补充道：“H2也需要由环境产生。”。

在热液喷口中发现了这样的环境，在那里，水与含铁岩石相互作用，产生H2，而微生物今天仍然以氢气作为能量来源。

现代和古代的热液喷口都会产生大量的H2，这种气体可以将含铁矿物转化为闪亮的金属铁。

“氢可以用矿物制造金属铁，这已经不是什么秘密了，”马克斯·普朗克研究所的高科技材料专家、该研究的合著者Harun Tüysüz说。“化学工业中的许多过程在反应过程中使用H2从矿物中制造金属。”令人惊讶的是，大自然也会这样做，尤其是在热液喷口，这种自然沉积的铁可能在生命起源中发挥了至关重要的作用。

铁是新研究中发现的唯一一种能够将H2中的电子向上发送到铁氧还蛋白的金属。然而，这种反应只在碱性条件下起作用，比如在某些类型的热液喷口中。杜塞尔多夫小组的Natalia Mrnjavac是该研究的第一作者之一，她指出：“这与生命起源于这种环境的理论非常吻合。”

“最令人兴奋的是，这种简单的化学反应可以填补理解复杂起源过程的重要空白，我们今天可以在实验室中看到这些反应在古代热液喷口的条件下进行。”

更多信息：Brabender，Max，氢与铁还原Ferredoxin作为黄素电子分叉的进化前体，《美国国家科学院院刊》（2024）。DOI:10.1073/pnas.2318969121。doi.org/10.1073/pnas.2318969121