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現代的主流觀點認為，地球上的生命大約起源於35億年前，它們通過長久的自然進化，演變成了現在千差萬別的生命，造就了繽紛繁茂的生命之樹。但是，所有這些令人眼花繚亂的地球生命，在本質上卻都有著許多驚人的共通之處。

比如，生命都是由在遺傳物質指導下合成的蛋白質構成的，蛋白質就如同生命的“積木”。所有蛋白質本身都由氨基酸鏈構成，這些氨基酸鏈在三維空間中會獲得更復雜的形態（摺疊等），從而產生“無限”的變化，演變出不同型別，參與幾乎所有生命活動。

此外，生物氧化還原反應也統一了生命之樹的新陳代謝。這些新陳代謝反應離不開一系列酶（蛋白質）的催化。酶能“搬運”電子，促使食物轉化為能量，這些酶的出現甚至有可能比細胞生物還要早。可以說，地球上的生命都是由一系列酶催化的電子轉移反應驅動的，它們包括氧化還原酶超家族。

然而，這些蛋白質的起源和進化仍然是個謎。大多數現代氧化還原酶的結構和化學特徵都很複雜。從邏輯上說，現存的參與新陳代謝的蛋白質，應該是從一些古老而簡單的摺疊進化而來的，這些摺疊通過重複的基因複製、補充和多樣化等方式，從一個普遍的共同祖先，或幾種獨立的起源，變得越來越複雜。

近日，羅格斯大學的科學家預測出了最古老的新陳代謝蛋白質的樣子。他們找到了兩個對新陳代謝起源具有重要意義的摺疊：鐵氧還蛋白（Fd）摺疊和類羅斯曼（Rossmann-like）摺疊。有證據表明，這兩個摺疊可能共享一個共同的祖先，它可能在新陳代謝起源的非常早期階段，進化出了幫助電子轉移和催化的功能。該研究已於近日發表在《美國國家科學院學報》上。

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正如文章開頭所說，我們目前認為生命起源於約35億年前的太古宙，但那樣古老的古氧化還原酶早已消失，也很難通過化石證據等方式來找到它們。

科學家把這樣一個挑戰交給了數學模型預測。他們希望從現在的情況中獲取線索，來推斷出這些酶的古老祖先的樣子。對蛋白質來說，通過序列來追溯進化歷程是十分困難的，但科學家發現，蛋白質的三維拓撲結構的變化比序列變化更為緩慢。

於是，研究團隊選擇通過量化和比較一些現有蛋白質的結構，來確定是否可以從中“反推”出共同祖先的形態。他們在全球資料庫中檢索了負責新陳代謝的現代蛋白質，並將它們分解成最小的功能片段。每個普通的小片段可能都負責某一項任務，比如結合鐵、銅或其他金屬。接著，他們篩選出一些特定的片段，這些片段在一系列更大的結構中都有出現——這就像找到所有汽車都通用的螺母和螺栓一樣。

當團隊最終通過比對和量化繪製出酶片段的“圖譜”時，就像拼出了一張數千塊拼圖組成的圖畫，他們發現兩種摺疊最終出現在了圖的中心。鐵氧還蛋白摺疊能將鐵與硫結合，另一種類羅斯曼摺疊能幫助DNA核心部分核苷酸連線。

○ 研究構建的氧化還原酶超家族的“圖譜”，在圖的中心是兩種關鍵的摺疊。（圖中部分資訊省略，更詳細圖譜可見參考來源[3]。）| 圖片來源：Raanan et al./PNAS

這種“中心狀態”意味著，它們與周圍的酶都聯絡緊密，這或許就是當今地球上廣泛而精細的蛋白質結構的基礎。反過來，這也表明，這兩個片段很可能在時間軸上出現得更早。作為第一批推動化學反應的酶，它們為其他後出現的酶提供了進行工作所必需的副產品。

通過比較蛋白質拓撲學和現代氧化還原酶序列，團隊推斷出，這兩種摺疊可能存在一個在新陳代謝初期的共同祖先。

研究的共同作者、生物學家Vikas Nanda表示，他們的預測會在實驗室中進行測試，他們正在構建蛋白質模型，並測試它們是否能引發早期新陳代謝的關鍵反應。

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Nanda在接受Discover採訪時表示，早期地球的條件為研究的結論提供了一些令人信服的支援證據。例如，地質學家認為，早期的海洋充滿了鐵，所以核心酶與鐵元素有關就說得通。隨著海洋中這種金屬元素逐漸減少，生命就必須學會與其他金屬一起工作，如銅和鎳，而這些物質也出現在了研究繪製的酶“圖譜”的外圍。

為了確認酶片段是否可以獨立工作，Nanda和團隊組裝並測試過一些片段：“一開始我懷疑這是否行得通。我以為我們必須對它們‘呵護有加’，才能讓它們發揮作用。”

然而出乎意料的是，在模擬的實驗環境中，這些酶片段似乎非常“耐用”，能夠單獨移動電子。Nanda認為這在某種程度上也解釋得通：“如果你是早期海洋岩石表面上的一段小肽鏈，沒有細胞能保護你，你不得不頑強求生。”

團隊現在認為，今天之所以存在的更大、更復雜的酶——也就是由那些通用的螺母和螺栓製成的更完整的汽車——是因為生命變得更復雜了，蛋白質必須與越來越多的分子進行交流而進化出來。

他們計劃繼續深入挖掘這份連線圖譜，圖中的每一個連線，都代表了為實現一個新功能而進化出的東西。每一個連線其實都是一種自然的選擇。

我們對地球上的生命起源知之甚少，這項研究不僅能幫助我們更好地了解地球生命的起源，或許也能為在其他地方搜尋生命時，提供一些化學訊號的指引。

[1] https://phys.org/news/2020-03-scientists-blocks-life.html

[2] https://www.discovermagazine.com/planet-earth/scientists-pin-down-protein-building-blocks-that-powered-earths-earliest

[3] https://www.pnas.org/content/early/2020/03/17/1914982117