來自倫敦大學(xué)，杜塞爾多夫大學(xué)的研究人員第一次追蹤到了活細(xì)胞生物能量特征的起源：僅由巖石,，水和二氧化碳組成的一種途徑。這一研究成果公布在Cell雜志上,。
在生命起源的問題上,，首先需要解決的是能源問題，因?yàn)樯矬w要進(jìn)行新陳代謝和復(fù)制,，就需要大量的能量,，而此時(shí)能催化特異性反應(yīng)的酶還沒有進(jìn)化出來，大多數(shù)能量如果不用,，那么就只能丟棄,。
那么，早期地球上的這所有的能量來自于哪里呢,？又是如何能驅(qū)動(dòng)生命所需的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的呢,？
答案就在海底熱液噴口（hydrothermal vent）的化學(xué)成分中。在這篇論文中,，倫敦大學(xué)的Nick Lane和杜塞爾多夫大學(xué)的Bill Martin解答了這個(gè)關(guān)于能量來源的問題,，以及為什么所有生命都采用了一種膜上節(jié)能性的離子梯度。
“生命實(shí)際上是一個(gè)能源利用反應(yīng)過程的副反應(yīng)?；铙w生物體需要大量的能量維持生存,，”Nick Lane說。
人類每天需要消耗超過一公斤（700升）的氧氣,，并呼出二氧化碳,。最簡(jiǎn)單的細(xì)胞，依賴于二氧化碳與氫的反應(yīng),，也能在其呼吸過程中產(chǎn)生40倍重量的廢物,。這些所有的生物體中，來自呼吸產(chǎn)生的能量都以膜上離子梯度的形式進(jìn)行存儲(chǔ),。
這種奇特的特征與遺傳密碼一樣普遍,，Lane和Martin發(fā)現(xiàn)通過氫和二氧化碳生長(zhǎng)的細(xì)菌，其碳代謝和能量代謝的方式與在一種特殊的海底熱液噴口中出現(xiàn)的非化學(xué)平衡情況很相似,，這種特殊的噴口就是堿性海底熱液噴口（alkaline hydrothermal vents）,。
研究人員根據(jù)檢測(cè)值發(fā)現(xiàn)天然質(zhì)子梯度（沿著薄的半導(dǎo)電鐵硫礦物壁起作用），能帶動(dòng)有機(jī)碳的同化,，從而導(dǎo)致了這些噴口微孔中生命起源：原型細(xì)胞protocells的增多,。
之后研究人員又證明了這些protocells受到透氣性的限制，最終迫使它們由自然質(zhì)子梯度轉(zhuǎn)變成了生化鈉離子梯度,，進(jìn)化成了一個(gè)簡(jiǎn)單的Na+/ H+轉(zhuǎn)運(yùn),。這一假設(shè)還推測(cè)一組早期節(jié)約能源所需的核心蛋白，并解答了關(guān)于呼吸蛋白既有質(zhì)子,，又有鈉離子的謎題,。
同時(shí)這項(xiàng)研究也解釋了細(xì)菌和古細(xì)菌（單細(xì)胞微生物）之間的巨大差別。Lane說,，這是第一次“發(fā)現(xiàn)了這種僅由巖石,，水和二氧化碳組成的途徑，如何發(fā)展成目前現(xiàn)存所有細(xì)胞奇特生物能量特征的,。”(生物谷Bioon.com)
DOI:10.1016/j.cell.2012.11.050
PMC:
PMID:
The Origin of Membrane Bioenergetics
Nick Lane, William F. Martin
Harnessing energy as ion gradients across membranes is as universal as the genetic code. We leverage new insights into anaerobe metabolism to propose geochemical origins that account for the ubiquity of chemiosmotic coupling, and Na+/H+ transporters in particular. Natural proton gradients acting across thin FeS walls within alkaline hydrothermal vents could drive carbon assimilation, leading to the emergence of protocells within vent pores. Protocell membranes that were initially leaky would eventually become less permeable, forcing cells dependent on natural H+ gradients to pump Na+ ions. Our hypothesis accounts for the Na+/H+ promiscuity of bioenergetic proteins, as well as the deep divergence between bacteria and archaea.
