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四百亿年前，在早期地球的深海热泉周围，自然存在的金属或许催化了最初的化学反应，进而孕育出了生命。德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（HHU）及其合作机构的研究人员，在科学期刊《Science Advances》上发表了一项最新研究，重新构建了生命演化的关键阶段，并探讨了在细菌与古菌两大祖先开始分化时，细胞代谢和酶的作用发生了怎样的转变。
研究表明，尽管现代细菌和古菌共享同一套遗传密码，但它们向独立生存细胞的演化过程可能是分别独立完成的，这也意味着细胞生命可能经历了“两次诞生”。
杜塞尔多夫大学的生物学家、研究第一作者纳塔莉亚·姆尔尼亚瓦茨（Natalia Mrnjavac）表示，如果人们能回到40亿年前观察地球上第一批细胞的出现，将会看到两种截然不同的 Pioneer 细胞——原始细菌与原始古菌，各自首次尝试脱离深海热泉的环境束缚走向独立生存。为了揭示这一早期演化阶段，研究团队对比了基因组、蛋白质结构以及化学反应过程。资深作者威廉·马丁（William Martin）指出，这些对比为了解“从无机金属催化的自发反应过渡到生物酶催化的代谢阶段”提供了全新的视角。
研究人员并没有将焦点局限于单一基因或酶，而是分析了早期细胞利用早期地球上已有的简单物质（如氢气、氨气和二氧化碳）合成氨基酸、RNA碱基和维生素等生命必需物质的整个网络。这一包含420个化学反应的代谢网络，其高度保守程度堪比遗传密码。
然而研究得出的一个意外发现是，催化这些反应的酶在细菌与古菌之间并不保守。所有细胞的最后共同祖先（LUCA）仅拥有催化约一半代谢反应所需的酶，而另一半反应则依赖于其生存环境中的自然金属来催化。这一结论表明，早期代谢可能高度依赖周围环境的化学特性，深海热泉周围自然存在的金属承担了原本由生物催化剂完成的功能。
随着演化的推进，新演化出的酶逐步取代了早期依赖无机催化剂的反应。在此过程中，细菌和古菌的祖先独立演化出了结构完全不同的酶，用来催化相同的关键代谢反应。正是这种平行演化，为两类细胞分别迈向独立生存奠定了基础。此外，针对早期能量来源的谜题，研究团队还提出了新的观点：在ATP等复杂能量分子出现之前，深海热泉中自然存在的钯金属与亚磷酸盐结合，能够在无酶环境下实现代谢磷酸化反应，这也为早期化学演化提供了可能的能量源泉。
针对这套复杂的代谢网络，研究团队还通过数学建模确定了代谢反应发生的先后顺序。通过综合这些发现，研究人员认为，细菌和古菌是从依赖地质化学环境的状态，分别独立演化为自由生存的细胞。正如研究人员所总结的，现代科学数据指向了一个清晰的结论：虽然遗传密码只有一次起源，但以独立自由生存为特征的细胞生命，其诞生可能发生了两次。
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