來源：科研圈

　　在氧氣出現(xiàn)在地球上之前，環(huán)境里到處是氰化物。這種致命毒氣是如何成為地球生命誕生的關(guān)鍵成分的？

　　來源 Discover magazine

　　作者 Donna Sarkar

　　翻譯 阿金

　　編輯 魏瀟

　　生命起源這一話題挑起了無盡的爭論，讓科學家和研究人員頭疼不已。盡管還有科學謎團尚待解開，但我們一致認同，現(xiàn)在所知的世界在 45 億年前誕生之初完全是另一片天地，而組成世界的物質(zhì)也迥然不同。氧氣，如今是生命存活的關(guān)鍵元素，直到 23.3 億年前才在大氣中聚積起來。

　　那么，地球早期大氣到底由什么組成呢？說來很諷刺，氰化物，一種致命毒物，可能是地球早期生命的關(guān)鍵組成。氰化物已被廣泛認作是原始湯（primordial soup）的重要成分，后者是促成生命起源的有機化合物溶液。

　　近期一項由美國斯克利普斯研究所（Scripps Research）化學家領(lǐng)導的研究讓我們進一步看清了早期生命可能在地球有毒環(huán)境中生存下來的方式，并解釋了其他具備相似環(huán)境條件的行星也有可能將生命維持到今天。研究結(jié)果發(fā)表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。

　　在一些懸疑驚悚電影中，你可能知道被俘虜?shù)拈g諜服用氰化物藥片來自殺。實際上，這種快速起效的毒藥擁有多種化學形式，歷史相當悠久。這些物質(zhì)存在于眾多植物中，無論是作為氣體吸入、以粉末形式攝入還是通過局部接觸吸收，對人類來說都是劇毒。

　　1870 年，在對抗拿破侖·波拿巴（Napoleon Bonaparte）的普法戰(zhàn)爭中，氰化物首次作為戰(zhàn)爭毒劑聲名鵲起。自那時起，在包括兩次世界大戰(zhàn)的無數(shù)場戰(zhàn)爭中，這一化學物質(zhì)成為了有效的致命武器。然而，盡管氰化物始終與毒藥、死亡相關(guān)聯(lián)，科學家卻猜測氰化氫（HCN，一種氣態(tài)氰化物）在原始湯的生命起源中發(fā)揮重要作用。這怎么可能呢？答案沒你預想的那么復雜。

　　拉瑪納拉亞南·克里希那穆爾提（Ramanarayanan Krishnamurthy）是美國加利福尼亞州斯克利普斯研究所的化學家，他帶我們快速復習了一下生命起源的科學。他認為，生命的更早期形式可能對氰化物耐受，因為它們的化學組成不同于今天的我們和其他生物。這表明如今對我們有毒的物質(zhì)，對地球早期生命沒有毒性。

　　我們可以這么思考：對人類來說，氧氣沒有毒，而二氧化碳則有毒，克里希納穆爾提解釋道。但對擁有不同化學組成類型的植物和某些動物來說，二氧化碳而非氧氣是它們的能量來源。“我們由此可以推斷，更早期的生命靠氰化物生存，就像在氧氣出現(xiàn)之前，早期生命依賴二氧化碳而活一樣。”

　　當氧氣確實在地球大氣中形成之后，無法適應氧氣的生命滅絕了，因為對它們來說氧氣有毒。而適應氧氣的生命，或者進行產(chǎn)氧光合作用的生命得以繼續(xù)生存演化。同理，依賴氰化物的早期生命形式也經(jīng)歷了同樣的故事，克里希納穆爾提說。它們將有毒的化學物質(zhì)作為能量來源，一旦氰化物耗盡，它們要么改變自身適應另外一種物質(zhì)，要么徹底滅絕。

　　有毒的生命原始湯

　　克里希納穆爾提和研究所的化學家團隊對這一課題展開深入研究，他們忠實復制了早期地球上的分子，并將氰化物添加入混合物。而實驗的一個重要特征包括“還原性三羧酸循環(huán)”（ reductive tricarboxylic acid cycle），或者縮寫為 r-TCA。

　　從本質(zhì)上來說，我們需要了解的復雜生物過程包括使用蛋白質(zhì)形成如今生命所必須的化合物。只不過，彼時的 r-TCA 有個小問題。還記得早期地球上氧氣不存在吧？r-TCA 運行所必需的蛋白質(zhì)也不存在。這就是克里希納穆爾提團隊使用氰化物展開實驗的原因。他們模擬了可能形成生命最初化合物的替代性循環(huán)過程。結(jié)果表明，氰化物作為一種溫和而有效的還原劑，可介導三羧酸中間體和衍生物的非生物轉(zhuǎn)化。實驗中的分子遵循了與如今 r-TCA 相同的合成途徑。

　　雖然詳細的實驗的確幫助我們窺見了地球大氣 45 億年前的樣子，但生命起源背后還有不少問題仍待解決。地球生命真的始于一劑毒物嗎？克里希納穆爾提推測說，如果我們要解開這一謎團，就必須忘記生命現(xiàn)在的樣子，想象一下回到 45 億年前的早期地球。以下是一些暗示：彗星飛掠、火山噴發(fā)，但尚無人類生命跡象。“在那段特定時期，我們必須面對任何可能發(fā)生的化學反應。”他講道。

　　生命起源科學繼續(xù)發(fā)展，隨著新研究的涌入，我們又添加了一片新拼圖，但剩下的空白仍待填補。

　　論文信息

　　[標題]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。

　　[鏈接]

　　https：//www.nature.com/articles/s41557-021-00878-w

　　原文鏈接：

　　https：//www.discovermagazine.com/the-sciences/born-to-die-how-life-on-earth-may-have-started-with-a-dose-of-poison