2022年03月08日 10:49
【科學快訊】
來源：科研圈
在氧氣出現在地球上之前，環境裏到處是氰化物。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，而組成世界的物質也迥然不同。氧氣，如今是生命存活的關鍵元素，直到 23.3 億年前才在大氣中聚積起來。
那麼，地球早期大氣到底由什麼組成呢？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鍵組成。氰化物已被廣泛認作是原始湯（primordial soup）的重要成分，後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境中生存下來的方式，並解釋了其他具備相似環境條件的行星也有可能將生命維持到今天。研究結果發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。
在一些懸疑驚悚電影中，你可能知道被俘虜的間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，曆史相當悠久。這些物質存在於眾多植物中，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）的普法戰爭中，氰化物首次作為戰爭毒劑聲名鵲起。自那時起，在包括兩次世界大戰的無數場戰爭中，這一化學物質成為了有效的致命武器。然而，盡管氰化物始終與毒藥、死亡相關聯，科學家卻猜測氰化氫（HCN，一種氣態氰化物）在原始湯的生命起源中發揮重要作用。這怎麼可能呢？答案沒你預想的那麼複雜。
拉瑪納拉亞南·克裏希那穆爾提（Ramanarayanan Krishnamurthy）是美國加利福尼亞州斯克利普斯研究所的化學家，他帶我們快速複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於今天的我們和其他生物。這表明如今對我們有毒的物質，對地球早期生命沒有毒性。
我們可以這麼思考：對人類來說，氧氣沒有毒，而二氧化碳則有毒，克裏希納穆爾提解釋道。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後，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，或者進行產氧光合作用的生命得以繼續生存演化。同理，依賴氰化物的早期生命形式也經曆了同樣的故事，克裏希納穆爾提說。它們將有毒的化學物質作為能量來源，一旦氰化物耗盡，它們要麼改變自身適應另外一種物質，要麼徹底滅絕。
有毒的生命原始湯
克裏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，他們忠實複制了早期地球上的分子，並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」（ reductive tricarboxylic acid cycle），或者縮寫為 r-TCA。
從本質上來說，我們需要了解的複雜生物過程包括使用蛋白質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也不存在。這就是克裏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過程。結果表明，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，但生命起源背後還有不少問題仍待解決。地球生命真的始於一劑毒物嗎？克裏希納穆爾提推測說，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，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生的化學反應。」他講道。
生命起源科學繼續發展，隨著新研究的湧入，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
<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>
