離開細(xì)胞，也能新陳代謝

海生

新陳代謝是生命的基本特征之一，有機(jī)體通過它獲得生命活動(dòng)所需要的能量、排除廢物。以往科學(xué)家認(rèn)為，新陳代謝只發(fā)生在細(xì)胞里，與其有關(guān)的一系列生化反應(yīng)，也只有在酶的催化作用下才能完成。

可是最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某些新陳代謝過程即使離開細(xì)胞，離開酶的幫助，在相對簡單的條件下也能發(fā)生——當(dāng)然，這里的“新陳代謝”已經(jīng)突破了傳統(tǒng)課本上“生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換，以及生物體內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)變過程”的定義，而單指一系列環(huán)環(huán)相扣的生物化學(xué)反應(yīng)。

新陳代謝還是RNA在先？

作為生命的基本特征之一，新陳代謝是如何起源的？這是我們理解生命起源問題的一個(gè)大障礙（另一障礙是能自我復(fù)制的遺傳物質(zhì)，像DNA和RNA，是如何起源的）。環(huán)視地球上所有的生命，不論是單細(xì)胞生物還是復(fù)雜的高等動(dòng)物，細(xì)胞中的新陳代謝過程看起來都非常相似。這意味著，在進(jìn)化的過程中，新陳代謝出現(xiàn)得非常早，為所有生物的共同祖先所具有，但沒人知道它是怎么來的以及何時(shí)出現(xiàn)的。

在生命的起源問題上，有一個(gè)占主流的假說認(rèn)為，在構(gòu)成生命的基本單元中，最先出現(xiàn)的是RNA——此即著名的“RNA世界”假說。RNA的好處是，一方面它像DNA一樣能編碼遺傳信息，能自我復(fù)制；另一方面，它又比DNA簡單，而且還能替代酶，催化許多生化反應(yīng)。在這個(gè)假說中，RNA出現(xiàn)在新陳代謝之前，最早的新陳代謝是在RNA的催化之下才得以實(shí)現(xiàn)的，正如今天細(xì)胞的新陳代謝需要酶的催化來完成一樣。

然而，也有一種相反的觀點(diǎn)，即新陳代謝出現(xiàn)在先。它甚至產(chǎn)生了制造RNA所需要的有機(jī)分子，后來細(xì)胞把眾多參與新陳代謝的反應(yīng)整合為一，就好比把一堆零碎的東西打了一個(gè)包。

然而，支持這一種觀點(diǎn)的證據(jù)并不多?，F(xiàn)在，科學(xué)家終于為這一觀點(diǎn)提供了首個(gè)證據(jù)：在沒有RNA的條件下，某些新陳代謝過程是可以發(fā)生的。

離開細(xì)胞，新陳代謝也能發(fā)生

這一發(fā)現(xiàn)純屬偶然。2013年的一天，劍橋大學(xué)的一個(gè)研究小組正在對細(xì)胞的培養(yǎng)基做例行的檢查，一名學(xué)生突發(fā)奇想，把一種從未用過的培養(yǎng)基放在儀器上檢測。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)里面竟然含有丙酮酸。學(xué)生物的人都知道，丙酮酸是一個(gè)叫“糖酵解”的新陳代謝過程的代謝產(chǎn)物，這個(gè)過程一般只發(fā)生在細(xì)胞中，而培養(yǎng)基里壓根兒一個(gè)細(xì)胞都沒有。換句話說，離開了細(xì)胞，這樣一個(gè)新陳代謝過程竟然自發(fā)地發(fā)生了。

為了驗(yàn)證類似的自發(fā)過程是否在地球早期也曾發(fā)生過，研究小組根據(jù)40億年前地球處于太古代時(shí)海水的“配方”（那時(shí)光合作用還沒出現(xiàn)，氧氣也極度稀缺，海水里富含鐵和其他金屬離子，以及磷酸鹽），制取了一些水溶液，加進(jìn)一些用于啟動(dòng)現(xiàn)代新陳代謝的化學(xué)物質(zhì)。他們把這鍋“湯”加熱到50～70℃。這個(gè)溫度類似于海底熱液噴泉附近的溫度。這樣持續(xù)5個(gè)小時(shí)，然后分析溶液的成分。

我們知道，新陳代謝有很多途徑，譬如有“有氧的新陳代謝”，有“無氧的新陳代謝”。但不管怎么說，每一個(gè)新陳代謝過程都是由眾多環(huán)環(huán)相扣的生化反應(yīng)組成的：這個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物又將成為下一個(gè)反應(yīng)的原料，一直到產(chǎn)物變成尿酸和水等不能再循環(huán)利用的廢物為止。

新陳代謝應(yīng)該出現(xiàn)在RNA前面

那鍋“湯”經(jīng)過這樣處理后，研究人員原本指望，能找到參與新陳代謝的1～ 2個(gè)反應(yīng)就不錯(cuò)了，但結(jié)果大出乎意料，他們找到29個(gè)與新陳代謝有關(guān)的反應(yīng)，它們看來是被鐵和其他出現(xiàn)于早期海洋中的金屬離子催化的。這些反應(yīng)足夠完整地重建兩個(gè)新陳代謝過程。

這兩個(gè)過程，一個(gè)是糖酵解過程，另一個(gè)是磷酸戊糖循環(huán)。兩個(gè)過程都是每個(gè)活細(xì)胞中新陳代謝的“主心骨”——在細(xì)胞中，這兩個(gè)過程同時(shí)還產(chǎn)生某些非常重要的物質(zhì)，包括能量分子ATP和用于制造DNA、RNA的糖類分子，以及用于制造蛋白質(zhì)和脂肪的有機(jī)分子。盡管新發(fā)現(xiàn)的這兩個(gè)新陳代謝過程與今天在細(xì)胞里發(fā)生的并不完全一致——也許在酶進(jìn)化出來之后，這些過程在細(xì)胞里被做了一些改進(jìn)——但產(chǎn)物基本上是一樣的。

尤為引人注目的是一種叫“5-磷酸核糖”的代謝產(chǎn)物。它是一種再經(jīng)過一次化學(xué)反應(yīng)即可生成RNA的有機(jī)分子。從這一點(diǎn)，我們有理由相信，新陳代謝應(yīng)該出現(xiàn)在RNA的前面。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)為探索地球生命的起源提供了一條重要線索。