生命最初是如何在地球上出现的？这些问题是杜塞尔多夫海因里希·海涅大学分子进化研究所研究的核心。现在，由杜塞尔多夫的生物学家领导的国际团队在《科学进展》上报告了新发现，揭示了最早细胞所使用的化学反应网络，用以产生生命的基本成分，以及为这些反应提供能量的来源。通过追踪细菌与古菌之间最早分化时的酶的起源，研究人员发现，独立出现的自由生活细胞的证据可能存在于两次不同的起源中。大约40亿年前，地球与我们今天所知的行星截然不同。如果能够观察到最早细胞的形成，场景可能涉及两种不同的原始细胞生活形式。“我们会看到两种截然不同类型的细胞出现，先锋细菌和先锋古菌，首次尝试在热液喷口的限制之外生活，”杜塞尔多夫大学的生物学家、该研究新发表论文的主要作者娜塔莉亚·姆尔尼亚瓦克说。姆尔尼亚瓦克和国际团队研究了基因组、蛋白质结构和化学反应，以探讨微生物进化的早期阶段，包括完全自由生活细胞存在之前的时期。“这些比较使我们以前所未有地深入了解了代谢由金属催化的自发反应产生时的进化阶段，”杜塞尔多夫的生物学家、研究的高级作者威廉·马丁说。重建早期生命的化学研究者们不仅聚焦于早期代谢的某些特定部分，而是检查了细胞用以从早期地球上可用材料（包括氢气、氨和二氧化碳）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个化学反应共同形成了被称为代谢的代谢网络。反应本身是极其古老的，并且在生命间保存的程度可与遗传密码相媲美。令研究人员感到惊讶的是，负责进行这些反应的酶，在细菌和古菌之间并没有显示出相同程度的保存性。马丁：“令人惊讶的是，催化这些反应的酶并没有在分隔细菌和古菌的进化鸿沟中得到保存。我们发现所有细胞的最后共同祖先LUCA，仅拥有约一半代谢反应所需的酶。另一半则是由LUCA出现时环境中的金属催化的。”这一发现暗示，最早的代谢比现代细胞的代谢更依赖于周围环境。“自然存在于热液喷口的金属可以替代代谢过程中相当数量的酶，”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哈伦·图伊苏兹说，且是该研究的合著者。“我们越深入观察，就越清楚地看到早期生化进化是酶催化剂与金属催化剂的混合，”来自加拿大渥太华大学的约瑟夫·莫兰，国际上在利用金属催化代谢反应方面的领军人物说。从金属催化剂到酶研究中的一项重大进展是重建生物催化早期进化的四个阶段。这个过程似乎是以金属驱动的反应开始，然后是LUCA时期金属和酶相结合的阶段。随后，细菌和古菌开始沿着不同的进化路径前进。在每个谱系内，新进化的酶逐渐取代了环境中提供的无机催化剂。重要的是，研究人员指出了细菌和古菌似乎各自独立发展出不同酶的例子，这些酶能够执行同样重要的代谢任务。“我们可以看到一些情况，其中细菌和古菌的祖先独立演化出了结构上不同的酶，以催化相同的基本代谢反应，”姆尔尼亚瓦克说，“这种平行的发明可能为自由生活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，因为它可能允许这两个谱系变得不那么依赖于热液喷口的化学成分，并最终作为独立细胞生存。早期代谢可能如何获得能量的另一个主要问题是能源。现代细胞在很大程度上依赖ATP来驱动代谢，但ATP本身是一种复杂的分子，需要酶的帮助才能产生。在早期情况下，它可能不只是自然可得的。