你或許聽過一種說(shuō)法：地球上的每一種生物都來(lái)自LUCA。

LUCA的全稱是“最后一個(gè)普遍的共同祖先”，這是一種早期生命形式。目前普遍認(rèn)為，LUCA生活在至少35億年前，甚至更久遠(yuǎn)的過去。LUCA并不是最早的生命，然而讓它變得與眾不同的是，它被認(rèn)為是現(xiàn)存所有生物的最后一個(gè)共同祖先，換言之，只有LUCA的直系親屬最終存活了下來(lái)，并繁衍出了如今的地球生物圈。

對(duì)于LUCA甚至更早的生命來(lái)說(shuō)，目前所有關(guān)于生命起源的理論都認(rèn)為，需要一種能量來(lái)源來(lái)促進(jìn)它們?cè)嫉幕瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生，推動(dòng)生物新陳代謝的出現(xiàn)。但我們?nèi)匀徊磺宄?，這種能量來(lái)源究竟是什么？生命最初的化學(xué)反應(yīng)又是如何開始的？

近日，在一項(xiàng)發(fā)表在《微生物學(xué)前沿》的新研究中，一組科學(xué)家重建出了LUCA的新陳代謝并發(fā)現(xiàn)，原始生命用來(lái)拼湊細(xì)胞分子零件的幾乎所有化學(xué)步驟都是放能反應(yīng)。他們認(rèn)為，我們一直在尋找的那種合成生命的基本零件所需的能量，恰恰就來(lái)自代謝本身。整個(gè)過程還有一種基本的起始化合物必不可少，那就是氫氣（H2）。

研究團(tuán)隊(duì)一直在探索，早期地球上的生命是如何以及在哪里產(chǎn)生的。他們的方法既包括實(shí)驗(yàn)，也包含計(jì)算性的研究。

比如，科學(xué)家會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用類似海底熱液噴口發(fā)現(xiàn)的催化和環(huán)境條件，研究氫氣和二氧化碳之間的反應(yīng)。此外，他們還在計(jì)算機(jī)上開發(fā)了一種形式的“分子考古學(xué)”，幫助尋找原始生命的許多不同痕跡，這些痕跡被保存在現(xiàn)代細(xì)胞的蛋白質(zhì)、DNA和化學(xué)反應(yīng)中。

在這項(xiàng)最新的研究中，他們巧妙地沒有選擇研究基因等其他方面，而是關(guān)注了生命的化學(xué)反應(yīng)本身所包含的信息。

在大約40億年前，代謝反應(yīng)剛開始出現(xiàn)時(shí)，還不存在蛋白質(zhì)或者酶來(lái)催化反應(yīng)，因?yàn)檫@些分子還沒有進(jìn)化出來(lái)。代謝一定來(lái)自可以在環(huán)境中發(fā)生的反應(yīng)，也許還有某些無(wú)機(jī)催化劑的幫助。

但是，無(wú)論有沒有催化劑，為了進(jìn)一步發(fā)展，反應(yīng)必須釋放能量。過往的文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多關(guān)于代謝能量可能來(lái)源的想法，但似乎還沒什么人研究過代謝的反應(yīng)本身。

研究人員制作了一份目錄，其中囊括了現(xiàn)代細(xì)胞中簡(jiǎn)單而古老的細(xì)胞（細(xì)菌和古菌）用來(lái)構(gòu)建生命基本零件的402個(gè)反應(yīng)，這些所謂的基本零件包括20種氨基酸、DNA和RNA的堿基，還有18種代謝所必需的維生素（輔因子）。

這些反應(yīng)是“高度保守”的，換句話說(shuō)，它們可能自從約40億年前生命起源以來(lái)幾乎就沒有改變過。它們是所有細(xì)胞共有的，因此也應(yīng)當(dāng)存在于LUCA中。這些反應(yīng)可以揭示原始生命如何處理代謝中的能量，以及它從哪里獲得使生命的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展所需的能量。

團(tuán)隊(duì)首先借助計(jì)算機(jī)程序模擬了不同的環(huán)境條件，研究了402個(gè)反應(yīng)的能量特性，因?yàn)榄h(huán)境往往對(duì)反應(yīng)能量產(chǎn)生著重要影響。研究涉及的環(huán)境條件從酸性到堿性（pH 1到14），溫度從25跨越到100°C，還納入了不同反應(yīng)物和產(chǎn)物的相對(duì)量等。

科學(xué)家還格外仔細(xì)地研究了氫氣的能量角色。因?yàn)榉磻?yīng)首先需要?dú)錃?，讓二氧化碳中的碳進(jìn)入代謝。

LUCA的新陳代謝。團(tuán)隊(duì)研究了生命分子基本構(gòu)件的生物合成所需的402個(gè)生物化學(xué)反應(yīng)。每個(gè)圓圈代表一個(gè)反應(yīng)，顏色則對(duì)應(yīng)每個(gè)反應(yīng)釋放的能量。綠色表示釋放能量，紫色則表示需要能量。| 圖片來(lái)源：HHU / Jessica Wimmer

結(jié)果顯示，LUCA的新陳代謝其實(shí)并不需要外部的能量來(lái)源，包括紫外線、隕擊、火山噴發(fā)或者放射性等來(lái)源可能都不是必需的。相反，在許多現(xiàn)代海底熱液噴口附近的典型環(huán)境中，代謝反應(yīng)所需的能量來(lái)自代謝本身。換句話說(shuō)，LUCA生命的能量源自生命本身。

他們觀察到，最佳能量條件落在了pH在9左右的堿性條件、溫度約80℃的環(huán)境中，同時(shí)需要?dú)錃鈦?lái)固定二氧化碳。事實(shí)上，這差不多正是我們?cè)诖笪餮笾胁康囊粋€(gè)產(chǎn)生氫氣的熱液場(chǎng)觀察到的典型情況。在那樣的環(huán)境中，大約95-97%的LUCA的代謝反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。

在熱液系統(tǒng)所處的無(wú)盡黑暗中，氫氣就好比一種“化學(xué)陽(yáng)光”，為暗無(wú)天日的地方帶去了生機(jī)。 

研究的第一作者Jessica Wimmer表示：“關(guān)于生命起源的能量來(lái)源，我們可以說(shuō)，純化學(xué)能已經(jīng)足夠了?；蛟S并不需要陽(yáng)光，不需要隕石，不需要紫外線，只要?dú)錃夂投趸?，再加上一些氨和鹽。”