这种致命毒药，竟是所有生命的起源
在氧气出现在地球上之前，环境里到处是氰化物。这种致命毒气是如何成为地球生命诞生的关键成分的？
图片来源：Unsplash
来源 Discover magazine
作者 Donna Sarkar
翻译 阿金
编辑 魏潇
生命起源这一话题挑起了无尽的争论，让科学家和研究人员头疼不已。尽管还有科学谜团尚待解开，但我们一致认同，现在所知的世界在 45 亿年前诞生之初完全是另一片天地，而组成世界的物质也迥然不同。氧气，如今是生命存活的关键元素，直到 23.3 亿年前才在大气中聚积起来。
那么，地球早期大气到底由什么组成呢？说来很讽刺，氰化物，一种致命毒物，可能是地球早期生命的关键组成。氰化物已被广泛认作是原始汤（primordial soup）的重要成分，后者是促成生命起源的有机化合物溶液。
近期一项由美国斯克利普斯研究所（Scripps Research）化学家领导的研究让我们进一步看清了早期生命可能在地球有毒环境中生存下来的方式，并解释了其他具备相似环境条件的行星也有可能将生命维持到今天。研究结果发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）上。
在一些悬疑惊悚电影中，你可能知道被俘虏的间谍服用氰化物药片来自杀。实际上，这种快速起效的毒药拥有多种化学形式，历史相当悠久。这些物质存在于众多植物中，无论是作为气体吸入、以粉末形式摄入还是通过局部接触吸收，对人类来说都是剧毒。
1870 年，在对抗拿破仑·波拿巴（Napoleon Bonaparte）的普法战争中，氰化物首次作为战争毒剂声名鹊起。自那时起，在包括两次世界大战的无数场战争中，这一化学物质成为了有效的致命武器。然而，尽管氰化物始终与毒药、死亡相关联，科学家却猜测氰化氢（HCN，一种气态氰化物）在原始汤的生命起源中发挥重要作用。这怎么可能呢？答案没你预想的那么复杂。
拉玛纳拉亚南·克里希那穆尔提（Ramanarayanan Krishnamurthy）是美国加利福尼亚州斯克利普斯研究所的化学家，他带我们快速复习了一下生命起源的科学。他认为，生命的更早期形式可能对氰化物耐受，因为它们的化学组成不同于今天的我们和其他生物。这表明如今对我们有毒的物质，对地球早期生命没有毒性。
我们可以这么思考：对人类来说，氧气没有毒，而二氧化碳则有毒，克里希纳穆尔提解释道。但对拥有不同化学组成类型的植物和某些动物来说，二氧化碳而非氧气是它们的能量来源。“我们由此可以推断，更早期的生命靠氰化物生存，就像在氧气出现之前，早期生命依赖二氧化碳而活一样。”
当氧气确实在地球大气中形成之后，无法适应氧气的生命灭绝了，因为对它们来说氧气有毒。而适应氧气的生命，或者进行产氧光合作用的生命得以继续生存演化。同理，依赖氰化物的早期生命形式也经历了同样的故事，克里希纳穆尔提说。它们将有毒的化学物质作为能量来源，一旦氰化物耗尽，它们要么改变自身适应另外一种物质，要么彻底灭绝。
有毒的生命原始汤
克里希纳穆尔提和研究所的化学家团队对这一课题展开深入研究，他们忠实复制了早期地球上的分子，并将氰化物添加入混合物。而实验的一个重要特征包括“还原性三羧酸循环”（ reductive tricarboxylic acid cycle），或者缩写为 r-TCA。
从本质上来说，我们需要了解的复杂生物过程包括使用蛋白质形成如今生命所必须的化合物。只不过，彼时的 r-TCA 有个小问题。还记得早期地球上氧气不存在吧？r-TCA 运行所必需的蛋白质也不存在。这就是克里希纳穆尔提团队使用氰化物展开实验的原因。他们模拟了可能形成生命最初化合物的替代性循环过程。结果表明，氰化物作为一种温和而有效的还原剂，可介导三羧酸中间体和衍生物的非生物转化。实验中的分子遵循了与如今 r-TCA 相同的合成途径。
虽然详细的实验的确帮助我们窥见了地球大气 45 亿年前的样子，但生命起源背后还有不少问题仍待解决。地球生命真的始于一剂毒物吗？克里希纳穆尔提推测说，如果我们要解开这一谜团，就必须忘记生命现在的样子，想象一下回到 45 亿年前的早期地球。以下是一些暗示：彗星飞掠、火山喷发，但尚无人类生命迹象。“在那段特定时期，我们必须面对任何可能发生的化学反应。”他讲道。
生命起源科学继续发展，随着新研究的涌入，我们又添加了一片新拼图，但剩下的空白仍待填补。
论文信息【标题】Cyanide as a primordial reductant enables a protometabolic reductive glyoxylate pathway
【期刊】Nature Chemistry
【作者】Mahipal Yadav, Sunil Pulletikurti, Jayasudhan R. Yerabolu & Ramanarayanan Krishnamurthy
【日期】03 February 2022
【DOI】https://doi.org/10.1038/s41557-021-00878-w
【摘要】
Investigation of prebiotic metabolic pathways is predominantly based on abiotically replicating the reductive citric acid cycle. While attractive from a parsimony point of view, attempts using metal/mineral-mediated reductions have produced complex mixtures with inefficient and uncontrolled reactions. Here we show that cyanide acts as a mild and efficient reducing agent mediating abiotic transformations of tricarboxylic acid intermediates and derivatives. The hydrolysis of the cyanide adducts followed by their decarboxylation enables the reduction of oxaloacetate to malate and of fumarate to succinate, whereas pyruvate and α-ketoglutarate themselves are not reduced. In the presence of glyoxylate, malonate and malononitrile, alternative pathways emerge that bypass the challenging reductive carboxylation steps to produce metabolic intermediates and compounds found in meteorites. These results suggest a simpler prebiotic forerunner of today’s metabolism, involving a reductive glyoxylate pathway without oxaloacetate and α-ketoglutarate—implying that the extant metabolic reductive carboxylation chemistries are an evolutionary invention mediated by complex metalloproteins.
【链接】
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00878-w
原文链接：
https://www.discovermagazine.com/the-sciences/born-to-die-how-life-on-earth-may-have-started-with-a-dose-of-poison
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