生命的第一把火是代谢？科学家在深海热泉找到了线索

你可能也好奇过：生命到底是怎么从一堆没有生命的分子里冒出来的？是先有基因，还是先有别的什么？有一派研究者给出的答案有点反直觉——先有代谢。

换句话说，在基因和细胞出现之前，地球上可能已经存在一些简单分子组成的、能自己维持自己的化学反应循环。后来，像RNA和DNA这样更复杂的分子才发展出来，开始为遗传存储信息。这个思路的核心逻辑很朴素：如果没有一个能自我维持的反应来提供能量，那些构成细胞生命所需的更大、更复杂的分子，根本没法被造出来。

德国海因里希·海涅大学的演化生物学家威廉·马丁（William Martin）把话说得很直白：流经系统的能量，就是生命在各种形态下的本质。用他的话说，能量"合成基因，基因包含的信息用来产生让这个反应继续下去的催化剂，而这些催化剂随着时间发生了变化"。

这套"非生命的地球化学反应用来触发有生命的生物化学"的想法，不是一天冒出来的。1968年，美国生物物理学家哈罗德·莫罗维茨（Harold Morowitz）提出，流经系统的能量会把这个系统组织起来，他把这个思路用到了"原代谢"的概念上。简单说，来自外部环境的能量——比如太阳或者地质过程——可以把化学网络推向自我维持的反应，因为这在热力学上是受偏爱的。久而久之，这些反应就可能变成生物反应。

那这种早期自我维持反应长什么样？一个很简单的版本，可能类似乙酰辅酶A途径。今天有些微生物就用这条路径，从氢和二氧化碳出发，搭建复杂的有机分子并产生化学能。

问题来了：什么样的条件能点燃这类"像生命"的反应？

深海潜水器在1970年代末第一次遇到了热液喷口。那是海底的"伤口"，富含溶解金属、被地热加热的水从那里涌进周围的海水。到了1980年代末和1990年代初，拥有化学博士学位的专利律师金特·韦希特斯豪泽（Günter Wächtershäuser）提出了"铁硫世界"的设想。在这个可能的早期地球环境里，像乙酰辅酶A途径这样的自我维持反应，可能被喷口周围聚集的铁硫矿物化学催化。

按这个设想，事情可能是这样一步步走的：一开始，一条非常简单的路径把二氧化碳和氢转化成更复杂的含碳化合物，比如乙酸和丙酮酸，同时把能量释放回环境。氢提供能量，金属催化剂让这个循环持续运转。一旦一个原始循环建立起来，它就可以一层层地制造越来越复杂的化合物，带上越来越多的酶促循环，一边收集能量一边释放能量，从最初那个循环往外搭建。这些反应可能在生命的遗传机制发展出来之前很久，就已经在不断增加复杂度了。

马丁的描述是："你从简单的无机催化剂开始，然后是有机催化剂，然后是酶，代谢过程变得越来越复杂。"但他也承认，那些不靠酶就能启动的反应，其本质一直悬而未决，争论激烈。

为了探索可能的机制，马丁和同事在实验室里模拟了热液喷口附近的温度和压力条件。2020年，团队展示：喷口里能找到的化学物质，比如二氧化碳和氢，加上这些地点常见的镍和铁矿物，可以组合生成甲酸、乙酸和丙酮酸。德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的生物化学家、该研究的第一作者玛蒂娜·普赖纳（Martina Preiner）说，这些化合物基本上就是乙酰辅酶A途径的"脊柱"。她表示，这些发现"表明在你还什么都没有之前，就有可能启动这些反应"，包括还没有RNA或蛋白质的时候。

不过，并不是所有人都认为热液喷口那种又热又高压的条件是必需的。同样在2020年，加利福尼亚州斯克里普斯研究所的有机化学家拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔蒂（Ramanarayanan Krishnamurthy）和同事证明：早期地球环境中可能存在的两种小分子——丙酮酸和乙醛酸——可以反应生成逆向柠檬酸循环的几乎所有组分（这个循环与乙酰辅酶A循环类似），而且不只在远离喷口极端环境的温度和水中条件里能做到，还不需要任何金属催化剂。这暗示，代谢也可能是在一潭温水里起步的，而不是在深海"坩埚"里。

但不管触发环境是哪一个，目前都还没有一个成形的理解，能说清最初的代谢反应怎么变得足够稳定、进而发展出复杂性。能够存储和复制信息的遗传物质，可能是把原始代谢反应的改进一代代传下去所必需的。

研究者还需要建立代谢与遗传信息之间的联系，也需要弄清楚：这些原代谢反应一旦被放进细胞膜的范围之内，怎么能共存而不互相拆台。克里希纳穆尔蒂的提问很实在："我们怎样才能最好地把它们混在一起，而不至于得到一团没法分析的乱麻？这就是挑战。"

所以，生命的第一把火是不是代谢点燃的？目前的答案是：有实验支持这条路走得通，但起点在深海还是温池、代谢与遗传如何接上头，都还悬着。这团火到底怎么烧起来的，科学家还在实验室里一层层地拆。