科学家揭秘：简单铁-氢系统或为复杂生命能量来源之源
在生命起源处利用氢
一份新报告揭示了未来的能源氢气是如何在过去（40 亿年前生命起源时）提供能源的。氢气是一种清洁燃料。它与空气中的氧气一起燃烧，提供不产生二氧化碳的能源。氢气是未来可持续能源的关键。尽管人类现在才开始意识到氢气（化学简写为 H2）的好处，但微生物早就知道 H2 是一种很好的燃料，因为地球上有生命。氢气是一种古老的能源。地球上最早的细胞以热液喷口产生的氢气为生，利用氢气与二氧化碳的反应形成生命分子。
在 H 2和 CO 2反应中茁壮成长的微生物可以在完全黑暗的环境中生存，栖息在令人毛骨悚然的原始栖息地中，例如深海热液喷口或地壳深处的灼热岩层，许多科学家认为生命本身就是在这些环境中诞生的。
来自杜塞尔多夫大学的 William F. Martin 和马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所 (MPI)的Martina Preiner 团队报道了关于地球上第一批细胞如何利用 H 2作为能源的惊人新见解。
无论是现代还是古代的热液喷口，都会产生大量的 H 2，这种气体可以将含铁矿物转化为闪亮的金属铁。无论是现代还是古代的热液喷口，都会产生大量的 H 2，这种气体可以将含铁矿物转化为闪亮的金属铁。令人惊讶的是，大自然也会这样做，尤其是在热液喷口，这种自然沉积的铁可能在生命起源中发挥了至关重要的作用。
铁是新研究中发现的唯一一种能够将 H2 中的电子向上传送至铁氧还蛋白的金属。但这种反应只在碱性条件下起作用，比如某种类型的热液喷口。这非常符合生命起源于此类环境的理论。最令人兴奋的是，这种简单的化学反应可以弥补理解复杂起源过程的一个重要空白，而且我们今天可以在实验室中看到这些反应在古代热液喷口条件下起作用。
简而言之，这项研究主要研究了铁-氢系统还原铁氧还蛋白这一过程，并提出它可能是黄素依赖电子分叉这一更复杂生物过程的进化前身。换句话说，科学家们发现了一种更简单、更原始的电子转移方式，它可能为现今生物体中普遍存在的黄素依赖电子分叉这一过程的演化提供了线索。
参考文献：Max Brabender, Delfina P. Henriques Pereira, Natalia Mrnjavac, Manon Laura Schlikker, Zen-Ichiro Kimura, Jeerus Sucharitakul, Karl Kleinermanns, Harun Tüysüz, Wolfgang Buckel, Martina Preiner, William F. Martin. Ferredoxin reduction by hydrogen with iron functions as an evolutionary precursor of flavin-based electron bifurcation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (13) DOI: 10.1073/pnas.2318969121
一、什么是铁-氢系统？
铁-氢系统是一个在生命起源研究领域备受关注的概念。它提出，在地球早期，简单的铁和氢分子在特定的环境条件下，可能自发形成能够进行简单能量转换的系统。这个系统被认为是更复杂生命形式出现之前的原始能量代谢的雏形。
1、铁-氢系统的工作原理
- 氢气的氧化： 在铁-氢系统中，氢气（H₂）作为电子供体，铁作为电子受体。氢气中的电子被转移到铁上，氢气被氧化成质子（H⁺）。
- 能量释放： 这个电子转移的过程会释放能量。这部分能量可以被用来驱动其他化学反应，或者被储存起来。
- 铁的还原： 接受了电子的铁被还原。还原态的铁可以进一步参与其他化学反应。
2、铁-氢系统在生命起源中的意义
- 原始能量代谢： 铁-氢系统被认为是早期生命最简单的能量代谢方式之一。它为细胞的生长和繁殖提供了所需的能量。
- 铁硫簇的形成： 在铁-氢系统中，铁和硫可能结合形成铁硫簇。铁硫簇是许多蛋白质的重要组成部分，在现代细胞的电子传递过程中发挥着关键作用。
- 生命起源的化学演化： 铁-氢系统为我们提供了一个关于生命起源的化学演化模型。它表明，在简单的无机分子基础上，复杂的生命系统可以通过一系列的化学反应逐步演化出来。
3、为什么铁-氢系统如此重要？
- 简单性： 铁和氢是宇宙中丰度很高的元素，在地球早期也广泛存在。
- 普适性： 铁-氢系统的工作原理相对简单，可能在宇宙的其他地方也存在类似的系统。
- 实验可验证性： 科学家可以通过实验来模拟铁-氢系统，研究其反应机制和产物。
总结来说，铁-氢系统是一个非常有吸引力的生命起源模型。它为我们提供了一个关于生命能量起源的简单而优雅的解释。
二、什么是铁氧还蛋白？
铁氧还蛋白，正如它的名字所暗示的那样，是一种含有铁元素的蛋白质，在细胞内扮演着至关重要的角色——电子传递。你可以把它想象成一个微小的快递员，在细胞的不同部位之间运送电子。
1、铁氧还蛋白的结构与功能
- 铁硫簇： 铁氧还蛋白之所以能“搬运”电子，关键在于它分子内部的铁硫簇。这个特殊的结构就像是电子停靠的“港口”，能够可逆地接受或释放电子。
- 氧化还原反应： 当铁氧还蛋白接受一个电子时，它就被还原了；当它释放一个电子时，它就被氧化了。这种氧化还原反应是电子传递的基础。
- 电子传递链： 在细胞内，铁氧还蛋白通常参与电子传递链。这个链条就像一个流水线，电子从一个分子传递到另一个分子，最终到达最终的电子受体。铁氧还蛋白就是这个流水线上的一个重要环节，负责将电子从一个蛋白复合体传递到另一个蛋白复合体。
2、铁氧还蛋白的工作原理
- 电子传递： 铁氧还蛋白的核心功能是传递电子。它含有铁硫簇，这个特殊的结构能够可逆地接受或释放电子。
- 氧化还原反应： 在细胞内的各种化学反应中，铁氧还蛋白通过接受或捐赠电子，参与氧化还原反应。这些反应对于细胞的能量代谢、物质合成等过程至关重要。
- 多样化的功能： 由于其独特的电子传递能力，铁氧还蛋白参与了多种生理过程，包括：
- 光合作用： 在植物中，铁氧还蛋白在光合作用的电子传递链中发挥关键作用。
- 氮固定： 一些细菌利用铁氧还蛋白将大气中的氮气转化为氨，供生物利用。
- 电子传递链： 铁氧还蛋白参与细胞呼吸等过程中电子的传递。
3、铁氧还蛋白的工作过程
- 接受电子： 铁氧还蛋白首先从一个电子供体（比如光合作用中的光系统I）接受电子，铁硫簇被还原。
- 移动： 然后，还原态的铁氧还蛋白移动到另一个位置，找到一个电子受体（比如NADP+还原酶）。
- 传递电子： 铁氧还蛋白将携带的电子传递给电子受体，自身被氧化。
- 循环利用： 氧化态的铁氧还蛋白回到最初的位置，重新开始下一个循环。
铁氧还蛋白参与细胞的能量代谢过程，例如光合作用和细胞呼吸。铁氧还蛋白参与许多物质的合成，比如氨基酸、核酸等。铁氧还蛋白有助于维持细胞内的氧化还原平衡，保护细胞免受氧化损伤。
总结来说，铁氧还蛋白就像一个勤劳的快递员，在细胞内不断地运送电子，为细胞的各种生命活动提供能量和物质。
三、什么是黄素依赖电子分叉？
黄素依赖电子分叉（flavin-based electron bifurcation）是一种特殊的电子传递过程，发生在某些微生物的能量代谢中。简单来说，就是电子在传递过程中发生“分叉”，一部分电子被传递到能量较高的载体上，另一部分则被传递到能量较低的载体上。
- 黄素蛋白： 一类含有黄素辅基的蛋白质，是电子分叉反应的催化剂。黄素辅基能够接受多个电子，并在特定的条件下将电子分叉到不同的受体上。
- 电子载体： 电子分叉过程中，电子被传递到不同的电子载体上，如NAD+、铁氧还蛋白等。
电子分叉对于微生物来说，是一种高效的能量获取策略。通过电子分叉，微生物可以将一个电子传递反应产生的能量分配到不同的代谢途径中，从而最大限度地利用能量。 在能量供应有限的环境中，电子分叉可以帮助微生物在低能量状态下生存和生长。电子分叉可以调节细胞内的氧化还原状态，从而影响细胞的代谢网络。
为什么要研究电子分叉？电子分叉在许多微生物的能量代谢中起着重要作用，例如产甲烷菌、硫酸盐还原菌等。电子分叉参与了许多重要的生物地球化学过程，例如甲烷的产生、硫的循环等。对电子分叉机制的研究有助于开发新的生物技术，例如生物燃料的生产。
总之，黄素依赖电子分叉是一种精巧的电子传递机制，它赋予微生物在能量利用方面的灵活性。通过电子分叉，微生物能够适应不同的环境条件，并在能量有限的情况下生存和繁衍。
四、这项研究的意义
这项研究对于我们理解生命起源，尤其是生命早期能量代谢的演化，具有极其重要的意义。这项研究的重大发现是铁-氢系统是黄素依赖电子分叉的进化前身，勾勒出了一条从简单的铁-氢系统到复杂的黄素依赖电子分叉的演化路径，进一步支持了早期地球环境可能为还原性环境，为生命起源研究提供了一个新的研究方向，极端环境微生物研究具有重要参考价值等。
- 铁-氢系统是黄素依赖电子分叉的进化前身： 这项研究的重大发现是铁-氢系统，即利用铁离子作为电子受体，氢气作为电子供体的简单电子传递系统，可能是在黄素依赖电子分叉出现之前，更原始的一种电子传递方式。
- 电子传递的演化路径： 研究者们通过实验和理论分析，勾勒出了一条从简单的铁-氢系统到复杂的黄素依赖电子分叉的演化路径。这为我们理解电子传递这一生命基本过程的演化提供了新的视角。
- 生命起源的环境： 该研究进一步支持了早期地球环境可能为还原性环境，提供了丰富的氢气，为生命起源提供了能量基础。
- 能量代谢的起源： 研究结果表明，简单的铁-氢系统可能为早期生命提供了基本的能量代谢方式，为更复杂的生命形式的出现奠定了基础。
- 生命起源研究的突破： 这项研究为生命起源研究提供了一个新的研究方向，即从简单的无机反应出发，探究生命能量代谢的起源。
- 极端环境微生物研究： 这项研究对于研究极端环境下生存的微生物，如古菌，具有重要的参考价值。
总结来说，这项研究为我们揭示了生命起源过程中一个关键的环节：电子传递的演化。
五、思考
铁-氢系统向黄素依赖电子分叉的演化过程中，蛋白质结构和功能是如何逐渐复杂化的？是否存在一些中间态的电子传递系统，介于铁-氢系统和黄素依赖电子分叉之间？除了黄素蛋白，是否存在其他类型的蛋白可以催化类似的电子分叉反应？
不同的环境条件（温度、压力、pH值等）对铁-氢系统和黄素依赖电子分叉的效率和稳定性有何影响？在不同的地球化学环境中，这两种电子传递系统分别发挥了怎样的作用？
铁-氢系统和黄素依赖电子分叉产生的能量如何被耦合到其他细胞过程，例如物质合成、运动等？是否存在一些特殊的机制，将这两种电子传递系统产生的能量转化为细胞所需的化学能？
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