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离开细胞，也能新陈代谢
新陈代谢是生命的基本特征之一,有机体通过它获得生命活动所需要的能量、排除废物.以往科学家认为,新陈代谢只发生在细胞里,与其有关的一系列生化反应,也只有在酶的催化作用下才能完成.
可是最近,科学家发现,某些新陈代谢过程即使离开细胞,离开酶的帮助,在相对简单的条件下也能发生——当然,这里的“新陈代谢”已经突破了传统课本上“生物体与外界环境之间的物质和能量交换,以及生物体内物质和能量的转变过程”的定义,而单指一系列环环相扣的生物化学反应.
新陈代谢还是RNA在先？
作为生命的基本特征之一,新陈代谢是如何起源的？这是我们理解生命起源问题的一个大障碍（另一障碍是能自我复制的遗传物质,像DNA和RNA,是如何起源的）.环视地球上所有的生命,不论是单细胞生物还是复杂的高等动物,细胞中的新陈代谢过程看起来都非常相似.这意味着,在进化的过程中,新陈代谢出现得非常早,为所有生物的共同祖先所具有,但没人知道它是怎么来的以及何时出现的.
在生命的起源问题上,有一个占主流的假说认为,在构成生命的基本单元中,最先出现的是RNA——此即著名的“RNA世界”假说.RNA的好处是,一方面它像DNA一样能编码遗传信息,能自我复制；另一方面,它又比DNA简单,而且还能替代酶,催化许多生化反应.在这个假说中,RNA出现在新陈代谢之前,最早的新陈代谢是在RNA的催化之下才得以实现的,正如今天细胞的新陈代谢需要酶的催化来完成一样.
然而,也有一种相反的观点,即新陈代谢出现在先.它甚至产生了制造RNA所需要的有机分子,后来细胞把众多参与新陈代谢的反应整合为一,就好比把一堆零碎的东西打了一个包.
然而,支持这一种观点的证据并不多.现在,科学家终于为这一观点提供了首个证据：在没有RNA的条件下,某些新陈代谢过程是可以发生的.
离开细胞,新陈代谢也能发生这一发现纯属偶然.2013年的一天,剑桥大学的一个研究小组正在对细胞的培养基做例行的检查,一名学生突发奇想,把一种从未用过的培养基放在仪器上检测.结果,他发现里面竟然含有丙酮酸.学生物的人都知道,丙酮酸是一个叫“糖酵解”的新陈代谢过程的代谢产物,这个过程一般只发生在细胞中,而培养基里压根儿一个细胞都没有.换句话说,离开了细胞,这样一个新陈代谢过程竟然自发地发生了.
为了验证类似的自发过程是否在地球早期也曾发生过,研究小组根据40亿年前地球处于太古代时海水的“配方”（那时光合作用还没出现,氧气也极度稀缺,海水里富含铁和其他金属离子,以及磷酸盐）,制取了一些水溶液,加进一些用于启动现代新陈代谢的化学物质.他们把这锅“汤”加热到50～70℃.这个温度类似于海底热液喷泉附近的温度.这样持续5个小时,然后分析溶液的成分.
我们知道,新陈代谢有很多途径,譬如有“有氧的新陈代谢”,有“无氧的新陈代谢”.但不管怎么说,每一个新陈代谢过程都是由众多环环相扣的生化反应组成的：这个反应的产物又将成为下一个反应的原料,一直到产物变成尿酸和水等不能再循环利用的废物为止.
新陈代谢应该出现在RNA前面
那锅“汤”经过这样处理后,研究人员原本指望,能找到参与新陈代谢的1～ 2个反应就不错了,但结果大出乎意料,他们找到29个与新陈代谢有关的反应,它们看来是被铁和其他出现于早期海洋中的金属离子催化的.这些反应足够完整地重建两个新陈代谢过程.
这两个过程,一个是糖酵解过程,另一个是磷酸戊糖循环.两个过程都是每个活细胞中新陈代谢的“主心骨”——在细胞中,这两个过程同时还产生某些非常重要的物质,包括能量分子ATP和用于制造DNA、RNA的糖类分子,以及用于制造蛋白质和脂肪的有机分子.尽管新发现的这两个新陈代谢过程与今天在细胞里发生的并不完全一致——也许在酶进化出来之后,这些过程在细胞里被做了一些改进——但产物基本上是一样的.
尤为引人注目的是一种叫“5-磷酸核糖”的代谢产物.它是一种再经过一次化学反应即可生成RNA的有机分子.从这一点,我们有理由相信,新陈代谢应该出现在RNA的前面.
这个发现为探索地球生命的起源提供了一条重要线索.
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