大约40亿年前，地球看起来与我们今天所知的星球截然不同。如果有可能目睹最早期的细胞形成，这一场景可能涉及两种截然不同的原始细胞生命形式。
“我们会看到两种截然不同的细胞正在出现，即先驱细菌和先驱古菌，它们首次尝试在热液喷口的局限之外生活，”杜塞尔多夫大学的生物学家Natalia Mrnjavac说道，她是发表在《科学进展》上的这项新研究的第一作者。
Mrnjavac和一个国际团队检查了基因组、蛋白质结构和化学反应，以研究微生物进化的一些最早阶段，包括完全自由生活的细胞存在之前的时期。
“这些比较为我们提供了前所未有的见解，让我们了解了酶催化的代谢从地壳中金属催化的自发反应中产生的进化阶段，”杜塞尔多夫生物学家William Martin说道，他是该研究的资深作者。
重建早期生命的化学过程
研究人员没有只关注早期代谢的选定部分，而是检查了细胞用来从早期地球上可用的材料（包括氢气、氨气和二氧化碳）制造关键生物成分（氨基酸、RNA碱基和维生素）的完整化学反应组。
这420个化学反应共同构成了被称为代谢的代谢网络。这些反应本身极其古老，并且在生命中的保守程度与遗传密码相当。
令研究人员惊讶的是，负责执行这些反应的酶在细菌和古菌之间并没有表现出相同程度的保守性。
Martin：“令人惊讶的是，催化这些反应的酶并没有跨越分隔细菌和古菌的进化界限而保守。我们发现所有细胞的最后共同祖先LUCA只拥有代谢中大约一半反应所需的酶。另一半是由LUCA产生环境中的金属催化的。”
这一发现表明，最早的代谢对周围环境的依赖程度远高于现代细胞代谢。
“热液喷口中天然存在的金属可以替代代谢中数量惊人的酶，”来自马普煤炭研究所和马德里IMDEA材料研究所的无机化学家Harun Tüysüz说道，他是该研究的合著者。
“我们观察得越仔细，就越能清楚地看到早期的生化进化是酶催化剂和金属催化剂的混合体，”来自加拿大渥太华大学的Joseph Moran说道，他是利用金属催化代谢反应以替代酶和辅因子的国际领军人物。
从金属催化剂到酶
该研究的主要进展之一是重建了生物催化早期进化的四个阶段。
这一过程似乎始于完全由金属驱动的反应。随后是LUCA阶段，金属和酶协同工作。之后，细菌和古菌开始沿着各自的进化路径发展。在每个谱系中，新进化的酶逐渐取代了代谢最初发展环境所提供的无机催化剂。
重要的是，研究人员发现了一些例子，表明细菌和古菌似乎独立进化出了不同的酶，能够执行相同的关键代谢任务。
“我们可以看到细菌和古菌的祖先独立进化出结构不同的酶以催化相同的关键代谢反应的案例，”Mrnjavac说，“这种平行的发明可能为自由生活的细菌和古菌的独立出现铺平了道路。”
这种平行进化可能至关重要，因为它可能使这两个谱系减少对热液喷口化学环境的依赖，并最终作为独立的细胞生存。
早期代谢可能如何获得能量
另一个主要问题关乎能量。现代细胞严重依赖ATP为代谢提供能量，但ATP本身是一种在酶的帮助下产生的复杂分子。它在古代热液环境中不会简单地免费存在。
因此，研究人员调查了在基于ATP的代谢存在之前，是什么可能提供了能量。
“我们在代谢起源处确定了一种新的能量来源，”杜塞尔多夫团队的Manon Schlikker说道。
一个可能的答案涉及钯，这是一种天然存在于热液喷口中的金属，化学学家们知道它是一种有效的催化剂已有大约一个世纪的历史。
团队发现，亚磷酸盐——一种天然存在于热液喷口中的磷的形式——可以在钯的存在下与有机化合物反应，并产生与代谢磷酸化相关的反应。
“当我们让亚磷酸盐（一种天然存在于热液喷口中的磷的形式）与有机化合物反应时，我们在水中一夜之间就得到了代谢磷酸化反应。亚磷酸盐和钯取代了ATP和酶；这太神奇了，也让早期进化更容易理解，”Schlikker说。
这一结果为一些最早的代谢反应如何在现代生物能量系统进化之前获得所需的能量提供了可能的解释。
绘制代谢起源处的420个反应
该研究是首个专门关注被称为代谢的完整反应网络的研究。
该网络包含420个高度连接的反应，许多相同的化合物参与了系统的多个部分。由于这些连接，重建该网络随时间发展的过程提出了一个困难的数学问题。
来自新西兰坎特伯雷大学的Mike Steel教授和来自图宾根大学的Daniel Huson教授为该项目带来了分析复杂网络的专业知识。
他们开发了一种方法，允许研究人员将代谢反应从最简单到最复杂进行排列。产生的序列可能至少部分反映了这些反应在生物进化最早阶段出现的顺序。
“第一个问题，”Steel说，“是这些反应是否存在唯一的顺序。一旦我们能证明存在这样的顺序，对它们进行排序的算法就变得可控了。”
一个遗传密码，但两个生命起源
理解生命如何开始解决了人类最根本的一些问题：我们来自哪里，最初的生物系统出现在哪里，以及地球最早的细胞是如何生存的。
根据研究人员的说法，他们发现的更广泛含义是，细菌和古菌并没有一起过渡到独立的细胞生命。相反，每个谱系似乎都分别达到了自由生活状态。
Martin：“新数据只留下一个结论。细菌和古菌谱系独立地完成了向自由生活状态的过渡。只有自由生活的细胞才是活着的。让我们直呼其名：我们看到的是一个遗传密码的起源，但却是两个生命的起源。”
除了来自杜塞尔多夫大学（HHU）的研究人员外，该国际团队还包括来自坎特伯雷大学（新西兰）、罗斯托克大学、康斯坦茨大学、渥太华大学（加拿大）、斯特拉斯堡大学和图宾根大学的科学家，以及位于马尔堡的马普陆地微生物研究所、位于米尔海姆/鲁尔区的马普煤炭研究所和位于马德里（西班牙）的IMDEA材料研究所的科学家。
背景：细菌和古菌
生物学家将细胞生命广泛分为两类。真核生物是含有细胞核的高级细胞，而没有细胞核的更古老的细胞谱系被称为原核生物。
原核生物由生命的两个原始分支组成：细菌和古菌。其中许多生物能够在极端条件下生存，包括非常高的温度和强酸性或碱性环境。
许多生物也生活在海底的热液喷口周围，一些理论认为这些环境是生命最初产生的可能地点。