新研究揭示了氫是如何在生命起源時提供能量的

2025-12-09 12:46:50 分類：焦點 閱讀(2)

圖片來自Lost City熱液區(qū)的Sulis地層，這是究揭一個產(chǎn)生氫氣的堿性熱液噴口。資料來源：uux.cn/南卡羅來納州大學(xué)蘇珊·朗/NSF/ROV Jason 2018伍茲霍爾海洋研究所
（神秘的示氫地球uux.cn）據(jù)杜塞爾多夫海因里希·海涅大學(xué)（阿爾恩·克勞森）：氫氣是一種清潔的燃料。它與空氣中的何生氧氣一起燃燒，提供不含二氧化碳的命起能量。氫是提供未來可持續(xù)能源的關(guān)鍵。盡管人類剛剛開始意識到氫氣（化學(xué)簡寫為H2）的新研好處，但微生物已經(jīng)知道，究揭只要地球上有生命，示氫H2就是何生一種很好的燃料。氫是命起古老的能源。
地球上最早的提供細(xì)胞是由熱液噴口產(chǎn)生的H2生存的，利用H2與CO2的新研反應(yīng)來制造生命分子。通過H2和CO2的究揭反應(yīng)而茁壯成長的微生物可以生活在完全黑暗的環(huán)境中，棲息在詭異的示氫原始棲息地，如深海熱液噴口或地殼深處的熱巖層，許多科學(xué)家認(rèn)為生命本身就是在這些環(huán)境中產(chǎn)生的。
PNAS報道了關(guān)于地球上第一批細(xì)胞如何利用H2作為能源的令人驚訝的新見解。這項新研究來自杜塞爾多夫大學(xué)的William F.Martin和馬爾堡馬克斯·普朗克陸地微生物研究所（MPI）的Martina Preiner團(tuán)隊，并得到了德國和亞洲合作者的支持。
為了獲取能量，細(xì)胞首先必須將H2中的電子大力推向上坡。該研究的三位第一作者之一Max Brabender解釋道：“這就像要求河流向上而不是向下流動，所以細(xì)胞需要工程解決方案。”。15年前，Wolfgang Buckel和他在馬爾堡的同事Rolf Thauer才發(fā)現(xiàn)細(xì)胞是如何解決這個問題的。
他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞將氫中的兩個電子發(fā)送到不同的路徑。一個電子走得很遠(yuǎn)，走得很遠(yuǎn)以至于它啟動了一個滑輪（或虹吸管），可以有力地將另一個電子拉向上坡。這個過程被稱為電子分岔。在細(xì)胞中，它需要幾種酶將電子向上輸送到一種古老而重要的生物電子載體——鐵氧還蛋白。
這項新的研究表明，在pH值為8.5的情況下，“不需要蛋白質(zhì)，”該研究的合著者Buckel解釋道，“H2的H–H鍵在鐵表面分裂，產(chǎn)生被堿水消耗的質(zhì)子和電子，然后很容易直接轉(zhuǎn)移到鐵氧還蛋白。”
在酶或細(xì)胞出現(xiàn)之前，能量上的上坡反應(yīng)在早期進(jìn)化中是如何發(fā)揮作用的，這一直是一個非常棘手的難題。Martin說：“有幾種不同的理論提出了在電子分叉起源之前，環(huán)境可能是如何將電子從能量上推向鐵氧還蛋白的，我們已經(jīng)確定了一個非常簡單的過程，它在熱液噴口的自然條件下有效。”
自從發(fā)現(xiàn)電子分岔以來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這一過程在以H2為生的微生物中既古老又絕對必要。對于像Martina Preiner這樣具有進(jìn)化思想的化學(xué)家來說，令人煩惱的問題是：在出現(xiàn)復(fù)雜的蛋白質(zhì)之前，H2是如何被用于CO2固定途徑的？
“金屬提供了答案，”她說，“在生命開始時，在古老的環(huán)境條件下，金屬可以將H2中的電子發(fā)送到山上，我們可以看到現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)中保存的原始化學(xué)遺跡。”但光有金屬是不夠的。Preiner實驗室的第一作者Delfina Pereira補(bǔ)充道：“H2也需要由環(huán)境產(chǎn)生。”。
在熱液噴口中發(fā)現(xiàn)了這樣的環(huán)境，在那里，水與含鐵巖石相互作用，產(chǎn)生H2，而微生物今天仍然以氫氣作為能量來源。
現(xiàn)代和古代的熱液噴口都會產(chǎn)生大量的H2，這種氣體可以將含鐵礦物轉(zhuǎn)化為閃亮的金屬鐵。
“氫可以用礦物制造金屬鐵，這已經(jīng)不是什么秘密了，”馬克斯·普朗克研究所的高科技材料專家、該研究的合著者Harun Tüysüz說。“化學(xué)工業(yè)中的許多過程在反應(yīng)過程中使用H2從礦物中制造金屬。”令人驚訝的是，大自然也會這樣做，尤其是在熱液噴口，這種自然沉積的鐵可能在生命起源中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
鐵是新研究中發(fā)現(xiàn)的唯一一種能夠?qū)2中的電子向上發(fā)送到鐵氧還蛋白的金屬。然而，這種反應(yīng)只在堿性條件下起作用，比如在某些類型的熱液噴口中。杜塞爾多夫小組的Natalia Mrnjavac是該研究的第一作者之一，她指出：“這與生命起源于這種環(huán)境的理論非常吻合。”
“最令人興奮的是，這種簡單的化學(xué)反應(yīng)可以填補(bǔ)理解復(fù)雜起源過程的重要空白，我們今天可以在實驗室中看到這些反應(yīng)在古代熱液噴口的條件下進(jìn)行。”
更多信息：Brabender，Max，氫與鐵還原Ferredoxin作為黃素電子分叉的進(jìn)化前體，《美國國家科學(xué)院院刊》（2024）。DOI:10.1073/pnas.2318969121。doi.org/10.1073/pnas.2318969121