Cell:发现生命的能量起源在哪里(跨膜离子梯度Na / H存)

王兴

Cell:发现生命的能量起源在哪里

2012-12-21 15:52:48

关键词： 生命 能量起源

来自伦敦大学，杜塞尔多夫大学的研究人员第一次追踪到了活细胞生物能量特征的起源：仅由岩石，水和二氧化碳组成的一种途径。这一研究成果公布在Cell杂志上。

在生命起源的问题上，首先需要解决的是能源问题，因为生物体要进行新陈代谢和复制，就需要大量的能量，而此时能催化特异性反应的酶还没有进化出来，大多数能量如果不用，那么就只能丢弃。

那么，早期地球上的这所有的能量来自于哪里呢？又是如何能驱动生命所需的有机化学反应的呢？

答案就在海底热液喷口（hydrothermal vent）的化学成分中。在这篇论文中，伦敦大学的Nick Lane和杜塞尔多夫大学的Bill Martin解答了这个关于能量来源的问题，以及为什么所有生命都采用了一种膜上节能性的离子梯度。

“生命实际上是一个能源利用反应过程的副反应。活体生物体需要大量的能量维持生存，”Nick Lane说。

人类每天需要消耗超过一公斤（700升）的氧气，并呼出二氧化碳。最简单的细胞，依赖于二氧化碳与氢的反应，也能在其呼吸过程中产生40倍重量的废物。这些所有的生物体中，来自呼吸产生的能量都以膜上离子梯度的形式进行存储。

这种奇特的特征与遗传密码一样普遍，Lane和Martin发现通过氢和二氧化碳生长的细菌，其碳代谢和能量代谢的方式与在一种特殊的海底热液喷口中出现的非化学平衡情况很相似，这种特殊的喷口就是碱性海底热液喷口（alkaline hydrothermal vents）。

研究人员根据检测值发现天然质子梯度（沿着薄的半导电铁硫矿物壁起作用），能带动有机碳的同化，从而导致了这些喷口微孔中生命起源：原型细胞protocells的增多。

之后研究人员又证明了这些protocells受到透气性的限制，最终迫使它们由自然质子梯度转变成了生化钠离子梯度，进化成了一个简单的Na+/ H+转运。这一假设还推测一组早期节约能源所需的核心蛋白，并解答了关于呼吸蛋白既有质子，又有钠离子的谜题。

同时这项研究也解释了细菌和古细菌（单细胞微生物）之间的巨大差别。Lane说，这是第一次“发现了这种仅由岩石，水和二氧化碳组成的途径，如何发展成目前现存所有细胞奇特生物能量特征的。”

http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(12)01438-9