早期地球铁硫化物地球化学如何驱动氢依赖的原始代谢：重大突破揭示生命起源关键线索

为探究铁硫化物对原始地球地球化学条件下乙酰辅酶 A 途径（acetyl - CoA pathway）的影响，研究人员以超嗜热产甲烷古菌詹氏甲烷球菌（Methanocaldococcus jannaschii）为模型开展研究。结果发现铁硫化物形成的非生物 H2可促进其生长和代谢，这为生命起源研究提供了关键依据。

　　在探索生命起源的漫漫长路上，科学家们一直对早期地球的奥秘充满好奇。早期地球的环境与如今大不相同，那时的地球犹如一个神秘的 “化学大锅”，各种物质相互作用，孕育着生命诞生的可能。在众多生命起源的假说中，铁硫化物在早期地球化学过程中的作用备受关注。分子氢（H₂）作为古代放能还原性乙酰辅酶 A 途径（acetyl - CoA pathway，一种被氢营养型产甲烷古菌用于代谢的重要途径）的电子供体，其来源和作用机制一直是研究的热点。而铁硫化物在早期地球广泛存在，它与乙酰辅酶 A 途径之间究竟有着怎样的联系呢？这一问题如同迷雾，笼罩着科学家们对生命起源的探索之路。目前，虽然知道铁硫化物的形成过程与 H₂产生有关，且在早期地球的地质记录中发现了富含铁硫化物的热液矿床，这些矿床还呈现出一些被认为是地球上最古老生命迹象的化石特征，但铁硫化物如何在原始地球地球化学条件下影响乙酰辅酶 A 途径，仍然知之甚少。正是在这样的背景下，来自德国慕尼黑大学（Ludwig - Maximilians - Universit?t München）和雷根斯堡大学（University of Regensburg）的研究人员开展了一项极具意义的研究。

研究人员以超嗜热产甲烷古菌詹氏甲烷球菌（Methanocaldococcus jannaschii）为模型生物，这种古菌最初是从东太平洋海隆黑烟柱底部的热液铁硫化物沉积物中分离出来的，它以 H₂和 CO₂作为唯一的碳源和能源，最适生长温度约为 85°C。研究人员通过模拟早期地球的化学条件，进行了一系列实验。最终他们发现，在模拟早期太古代（40 - 36 亿年前）地球化学条件的化学花园实验中形成的铁硫化物（如马基诺矿（FeS）和磁黄铁矿（Fe₃S₄））能够产生足够数量的非生物 H₂，以支持詹氏甲烷球菌的氢营养型生长。非生物 H₂促进了 CO₂固定和产甲烷作用，并诱导了编码乙酰辅酶 A 途径的基因过表达。这一研究成果发表在《Nature Ecology & Evolution》上，为生命起源的研究提供了新的视角和关键证据，表明早期地球的铁硫化物地球化学可能为氢依赖的原始代谢提供了能量来源，为现代共生伙伴关系提供了古老的前身。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是化学花园实验，通过在模拟早期地球海洋化学条件下，让酸性硫化物溶液与含铁溶液反应，形成铁硫化物烟囱结构，以研究铁硫化物的形成过程和性质；二是拉曼光谱（Raman spectroscopy）和扫描电子显微镜（SEM）分析，用于确定铁硫化物化学花园中的矿物组成和晶体形态；三是转录组分析，研究人员提取不同条件下詹氏甲烷球菌的 RNA，进行转录组分析，以探究基因表达的变化情况。

下面来看具体的研究结果：

• 铁硫化物烟囱形成、矿物学和宜居性：研究人员通过在富含铁的水环境中注入酸性硫化物溶液，成功沉淀出铁硫化物，形成黑色烟囱结构。该烟囱在 10 分钟内平均高度达到 2.0cm，1 小时后达到 2.5cm，之后不再生长。拉曼光谱和扫描电子显微镜分析显示，热液（80°C）沉积的铁硫化物化学花园主要由马基诺矿（FeS）和磁黄铁矿（Fe₃S₄）组成，还有少量 NaCl。将詹氏甲烷球菌的稳定期培养物添加到化学花园中，荧光显微镜观察发现细胞与铁硫化物颗粒物理结合，且化学花园的 pH 为 5.5，接近詹氏甲烷球菌的最适生长 pH。
• 化学花园中的非生物 H₂产生和产甲烷作用：研究人员检测到沉积的铁硫化物化学花园中释放出 H₂，其浓度范围为 124 ± 1 至 781 ± 138 μM，与黑烟囱流体中的 H₂浓度范围（0.05 - 1 mM）相符。添加詹氏甲烷球菌培养物后，非生物 H₂显著减少，表明其消耗 H₂用于生长。通过追踪¹³CO₂和¹³CH₄的产生，发现化学花园中产生的非生物 H₂与詹氏甲烷球菌产生的¹³C 标记的 CH₄呈正相关，表明氢营养型产甲烷作用受 H₂限制。
• 詹氏甲烷球菌在铁硫化物化学花园中的生长：与在标准 MMC 生长培养基中生长相比，詹氏甲烷球菌在铁硫化物化学花园中达到指数生长的时间为 24 小时，生长速率为 0.14 h^-1，比在 MMC 培养基中低 30%，但在无菌水对照组中未观察到生长。这表明铁硫化物化学花园中的生长主要受 H₂限制，且化学花园中的非生物 H₂足以维持其生长。
• 铁硫化物化学花园中的基因表达：转录组分析表明，詹氏甲烷球菌在铁硫化物化学花园、MMC 培养基和无菌水中的基因表达存在显著差异。在铁硫化物化学花园中，许多编码乙酰辅酶 A 途径关键酶的基因过表达，如 CO 脱氢酶 / CO 甲基化乙酰辅酶 A 合酶复合物 β 亚基（CODH/ACS）、甲基辅酶 M（methyl - COM）还原酶亚基 α/β/γ（mcrA、mcrB 和 mcrG）等。这表明化学花园促进了乙酰辅酶 A 途径的表达，且该途径的活性受铁硫化物化学花园环境的正向影响比温度更大。

研究结论和讨论部分指出，许多产甲烷古菌的生理特征是依赖 H₂的共生，而早期地球的非生物铁硫化物地球化学可能取代了产生 H₂的共生伙伴生物，为氢依赖的产甲烷古菌提供了非生物 H₂来源。这一发现为基于系统发育基因组重建的最后共同祖先（LUCA）的代谢和进化模型提供了实验支持，表明乙酰辅酶 A 途径可能存在于 LUCA 中，且 LUCA 可能生活在热液环境中。同时，研究还发现铁硫化物化学花园环境对詹氏甲烷球菌的 H₂依赖的乙酰辅酶 A 途径代谢活动的正向影响大于温度。这些结果进一步加深了人们对早期地球生命起源和演化的理解，为探索生命的奥秘提供了重要线索，让我们对生命诞生的早期化学过程有了更清晰的认识，也为后续研究生命在极端环境中的起源和发展奠定了坚实基础。