科学家概述了一种理解生命起源的新策略

【字体: 时间:2023年08月16日 来源:AAAS

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  最初的生命形式是什么样的?在一篇新的观点文章中,科学家们描述了一种通过研究电子传递链的最早进化来回答这个问题的策略,这是一种具有非常古老历史的普遍代谢策略。

  

尽管取得了几十年的进步,生命的起源仍然是科学中未解决的重大问题之一。奥伯林学院生物学副教授亚伦·戈德曼说:“生物最基本的特征是,生物体是由细胞组成的,它们通过DNA传递遗传信息,它们使用蛋白质酶来进行新陈代谢,这些特征都是在非常早期的进化史上通过特定的过程出现的。”“了解这些最基本的生物系统是如何形成的,不仅能让我们更深入地了解生命在最基本的层面上是如何运作的,还能让我们更深入地了解生命到底是什么,以及我们如何在地球之外寻找生命。”

生命最初是如何出现的问题通常是通过模拟早期地球环境的实验室实验来研究的,并寻找能够产生与我们今天在生物体中看到的相同种类的生物分子和代谢反应的化学物质。这被称为“自下而上”的方法,因为它使用的材料可能存在于生命起源前的地球上。虽然这些所谓的“生命前化学”实验成功地证明了生命可能是如何起源的,但它们并不能告诉我们生命实际上是如何起源的。与此同时,其他研究利用进化生物学的技术,根据今天的生命数据,重建早期生命形式可能是什么样子。这被称为“自上而下”的方法,可以告诉我们地球上的生命历史。然而,自上而下的研究只能回溯到今天仍保存在生物体中的基因,因此不能一直追溯到生命的起源。尽管有各自的局限性,自上而下和自下而上的研究都致力于发现生命起源的共同目标,理想情况下,他们的答案应该集中在一组共同的条件上。

Goldman、Laurie Barge (NASA喷气推进实验室天体生物学研究科学家)及其同事发表的一篇新文章试图弥合这一方法论上的差距。作者认为,将自下而上的实验室研究与早期生命形式的自上而下的进化重建相结合,可以用来发现生命是如何真正起源于早期地球的。在他们的文章《电子传递链是进入进化早期阶段的窗口》中,作者描述了一个对当今生命至关重要的现象,可以通过结合自下而上和自上而下的研究来研究:电子传递链。

电子传递链是一种代谢系统,从细菌到人类,整个生命树的生物体都使用它来产生可用的化学能。许多不同类型的电子传递链是专门针对每种生命形式及其使用的能量代谢的:例如,我们的线粒体包含一个与我们的异养(食物消耗)能量代谢相关的电子传递链;而植物与光合作用(从阳光中产生能量)有完全不同的电子传递链。在整个微生物界,生物体使用广泛的电子传递链与各种不同的能量代谢相关联。但是,尽管存在这些差异,作者从自上而下的研究中描述了这种代谢策略被最早的生命形式所使用的证据,他们提出了几个祖先电子传递链的模型,这些模型可以追溯到非常早期的进化史。他们还调查了目前自下而上的证据,这些证据表明,即使在我们所知道的生命出现之前,矿物和早期地球的海水也可能促进了类似电子传递链的化学反应。受这些观察结果的启发,作者概述了未来的研究策略,即对电子传递链的早期历史进行自上而下和自下而上的综合研究,以便更好地了解古代能量代谢和更广泛的生命起源。

这项研究是由喷气推进实验室的Barge领导的多研究所跨学科团队5年工作的成果,该团队由NASA-NSF生命起源创意实验室资助,研究早期地球地质环境中代谢反应的出现方式。该团队之前的工作已经调查了,例如,由矿物驱动的特定电子传递链反应(由JPL研究科学家Jessica Weber领导);古老的酶是如何在它们的活性位点结合了益生元化学的(由戈德曼领导);以及能量极度受限环境下的微生物代谢(由南加州大学的Doug LaRowe领导)。“新陈代谢的出现是一个跨学科的问题,所以我们需要一个跨学科的团队来研究这个问题,”Barge说。“我们的工作利用了化学、地质学、生物学和计算建模等技术,将这些自上而下和自下而上的方法结合起来,这种合作对未来研究益生元代谢途径非常重要。”

文章标题

Electron transport chains as a window into the earliest stages of evolution


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