所有活细胞都通过将高能电子从膜的一侧诱导到另一侧来为自己供电。从某种意义上说，实现这一目标的基于膜的机制与遗传密码一样是生命的普遍特征。但与遗传密码不同的是，这些机制在各地并不相同：最简单的两类细胞，细菌和古细菌，具有用于产生化学和结构不同的能量的膜和蛋白质复合物。这些差异使得我们很难猜测最早的细胞是如何满足其能量需求的。
这个谜团导致 尼克·莱恩伦敦大学学院进化生物化学教授，提出了关于生命起源的非正统假说。如果生命出现在这样的地质环境中，在这种地质环境中，跨越微小障碍的电化学梯度自然发生，支持原始的新陈代谢形式，同时我们所知道的细胞也在进化？一个可能出现这种情况的地方是：深海海底的碱性热液喷口，位于几乎像矿化海绵的高度多孔岩层内。
莱恩（Lane）在 各种 期刊的 文件，他在他的一些书中谈到了这一点，例如 至关重要的问题，他写道，“碳和能量代谢是由质子梯度驱动的，这正是通风口免费提供的。”他在他的最新书中向公众更详细地描述了这个想法， 变形金刚：生与死的深层化学。在他看来，新陈代谢是生命的核心，遗传信息是从中自然产生的，而不是相反。莱恩认为，这种逆转的影响几乎涉及生物学中的所有重大谜团，包括癌症和衰老的本质。
莱恩的理论仍然只是生命起源研究领域众多理论之一。许多（如果不是大多数）科学家都支持生命起源的理论 自我复制混合物 of RNA和其他分子，并且它出现在地球表面或附近，受到阳光的滋养。近几十年来，将热液喷口作为生命坩埚的研究蓬勃发展，但其中一些倾向于 淡水中的火山喷口，而不是海底的深喷口。尽管如此，虽然莱恩的解释并没有回答有关生命如何起源的所有问题，但它解决了蛋白质和其他重要生物分子的能量密集型合成如何发生的难题。
作为一名科学家（他在同行评审期刊上发表了 100 多篇论文）和科学作家，研究能源需求如何影响和限制生命的进化一直是莱恩职业生涯的中心主题。莱恩因其对生命科学的贡献而获得 2015 年生化学会奖，2016 年伦敦皇家学会向他颁发了 迈克尔·法拉第奖 表彰其在向公众传播科学方面的卓越表现。
广达 最近，莱恩在伦敦的家中通过视频会议与他进行了交谈。为了清晰起见，采访内容已经过精简和编辑。
你的书认为，能量和物质的流动构成了生命的进化，也是新陈代谢的方式 “召唤基因存在。= 认为新陈代谢而不是遗传信息首先进化的最令人信服的理由是什么？
“信息至上”的纯粹观点是 RNA 世界，环境中的某些过程会产生核苷酸，而核苷酸会经历一个使它们连接成聚合物链的过程。然后我们就有了一群 RNA，它们发明了一切，因为它们既能够催化反应又能够自我复制。那么RNA是如何发明新陈代谢、细胞、空间结构等等的呢？即使在今天，基因实际上也没有做到这一点。细胞来自细胞，基因也随之而来。那么为什么基因一开始就会这么做呢？
他们会怎么做呢？假设生化途径有 10 个步骤，任何一个步骤本身都没有多大用处。途径中的每一个产品都必须对其进化有用，但事实并非如此。即使是单一途径的进化看起来也很困难。
有什么选择？
另一种选择是，这些事情在有利的条件下自发发生，并且在整个路径中，从一个中间体到下一个中间体的相互转化量非常小。与酶催化反应相比，它不会太多，也不会很快，但它会存在。然后，当某个基因在后期出现时，它可以催化这些步骤中的任何一个，这往往会加速整个路径。
这使得问题变得容易得多。但它也做出了令人不安的预测：这条途径中的所有化学反应都必须受到青睐。然后你说，对于另一种途径和另一种途径，生物化学的核心恰好在没有基因的情况下在热力学上受到青睐，这成为一个越来越可怕的命题。
六七年前，这种立场并不容易维持，因为确实没有证据支持。但从那时起，至少有三到四种途径已被证明在实验室中自发发生且水平较低。并非所有路径都是完整的，但会发生中间步骤。看来，说基因出现在一个我们已经拥有相当复杂的原始代谢的世界里，这似乎并不是一个不合理的立场。
让我们来谈谈深海热液喷口中的原始代谢是如何进化的。排气口环境中的什么因素让您认为它有利于我们所说的克雷布斯循环（从碳水化合物、脂肪和蛋白质中获取能量的代谢过程）的开始？
让我们从生命的起源开始：氢气和二氧化碳，它们不容易发生反应。生活让他们如何反应？正如我们在线粒体和某些细菌中看到的那样，生命利用膜上的电荷将电子从氢转移到铁氧还蛋白等铁硫蛋白上。这些位于古代蛋白质核心的微小铁离子和硫离子簇就像小矿物质一样。你可以在热液喷口中获取这些矿物质，还可以获取二氧化碳和氢气，多孔岩石中甚至还有薄薄的屏障，上面带有电荷。
问题是：通风口的这种结构是否能有效推动二氧化碳和氢气之间的反应？我们在过去一两年在实验室中找到的答案是肯定的，确实如此。我们得到的不多，但随着我们开始优化工艺，我们得到的越来越多，我们看到产生的是克雷布斯循环中间体。如果你放入一些氮，你就会得到与生命所使用的相同的氨基酸。
所以这种化学反应在热力学上是有利的。只是这第一步是顽固的，但热液喷口上的电荷似乎降低了第一步的障碍，所以剩下的事情可以发生。实际上，你所拥有的是热液的连续流动，通过这种电化学反应，将环境中的气体转化为更多的有机分子，你可以想象这些有机分子依偎在细胞状的孔隙中，将它们自己构造成细胞状的实体，并制造出更多的有机分子。他们自己。这是一种非常粗糙的生长形式，但从这个意义上说，它是栩栩如生的。
但是，这些最初的原始细胞是如何变得独立于它们在热液喷口中免费获得的质子梯度的呢？
其中很多仍然是推测，但答案似乎是基因需要独立。所以这是一个基本问题：基因是在何时何地进来的？
我们已经证明，理论上，如果你引入随机的 RNA 序列并假设其中的核苷酸可以聚合，你就会得到很少的核苷酸链。假设有七个或八个随机字母长，其中没有编码任何信息。现在有两种方法可以真正帮助您。一是它可以作为更多 RNA 的模板：它能够模板化相同序列的精确副本，即使该序列中没有信息。但原则上它能做的第二件事是充当氨基酸的模板。氨基酸和 RNA 中的字母之间存在非特异性生物物理相互作用的模式——疏水性氨基酸更有可能与疏水性碱基相互作用。
所以你有一个随机的 RNA 序列，可以生成一个非随机的肽。这种非随机肽可能偶然在生长的原始细胞中发挥某些功能。它可以使细胞生长得更好或更糟；它可以帮助RNA自我复制；它可以与辅因子结合。然后你就可以选择该肽和产生它的 RNA 序列。尽管这是一个非常初级的系统，但这意味着我们刚刚进入基因、信息和自然选择的世界。
我们只是从一个没有信息的系统变成了一个有信息的系统，系统本身几乎没有任何变化。我们所做的就是引入随机 RNA。现在，这是真的吗？他们说最美丽的想法会被丑陋的事实扼杀。这可能不是真的，但它具有如此高的解释力，我不敢相信这不是真的。
因此，在热液喷口中，我们得到了一些克雷布斯循环中间体。但它们是如何形成一个循环的呢？这是一个循环而不是线性反应链，这很重要吗？
我们经常关注克雷布斯循环，一遍又一遍地进行相同的能量产生反应。但克雷布斯循环可以双向运行。在我们的线粒体中，它从中间分子中剥离二氧化碳和氢气，在膜上产生电荷以获取能量。然而，在许多古老的细菌中，它的作用恰恰相反：它利用膜上的电荷驱动与二氧化碳和氢气的反应来制造这些中间体，这些中间体成为制造生长所需氨基酸的前体。
这不仅存在于古代细菌中，我们的细胞也仍然使用克雷布斯循环进行生物合成。自 1940 世纪 XNUMX 年代以来，我们就知道细胞中的克雷布斯循环有时会倒退，并且其中间分子有时被用作制造氨基酸的前体。我们的线粒体根据细胞的需求平衡两个相反的过程：能量产生和生物合成。这里面有一种阴阳。
克雷布斯循环从未真正作为一个真正的循环运行，除了在能量最高的细胞中，比如首次发现克雷布斯循环的鸽子的飞行肌肉。在大多数细胞中，克雷布斯循环更像是一个环形交叉路口，而不是一个循环，事物在不同的点进入和离开。而且这是一个可以双向行驶的环岛，所以有点乱。
氧气的增加与代谢流的有利方向以及第一批多细胞动物的进化有何联系？
第一批动物似乎是在大部分时间氧气含量非常低的情况下进化的。它们在充满硫化物的泥浆中爬行，就像下水道中的气体一样。这些早期的蠕虫需要一些氧气才能爬行，但它们也需要解毒所有这些硫化物并处理环境中的大量二氧化碳。
我突然意识到，做到这一点的唯一方法就是使用不同类型的组织来完成不同的工作。一旦你开始爬行，你就需要肌肉，并且需要某种呼吸系统。这是两种不同类型的组织，其中一种必须保留氧气并在需要时提供氧气，而另一种则试图在缺氧的情况下运作。他们必须以不同的方式进行生物化学，并通过克雷布斯循环以不同的通量进行。你被迫同时做两三件事。
相比之下，现在有一群神秘的简单生物，称为埃迪卡拉动物群。它们生活在大约 200 米深的海洋中，并在大约 540 亿年前的寒武纪大爆发之前灭绝，当时环境中的氧气含量下降了。埃迪卡拉动物群没有太多的组织分化，它们一次只能进行一件事生化作用。当寒武纪之前氧气含量下降时，它们无法适应新环境。
但一旦你拥有多个组织，你就可以并行做事。您可以平衡该组织正在做的事情与该组织正在做的事情。你不可能很容易地同时进行能量和生物合成——两者中的一个更容易。这迫使我们在不同的组织中有不同的新陈代谢。
因此，组织分化不仅仅是拥有“这将成为肝脏”或“这将成为神经组织”的基因。它让人们有了以前不可能的生活方式，也让第一批蠕虫能够度过杀死其他一切生物的恶劣环境。此后发生了寒武纪大爆发。当氧气水平最终上升时，这些具有多种组织的华丽蠕虫突然成为镇上唯一的表演。
这与您关于癌症的一些想法有关。自 1970 世纪 XNUMX 年代以来，大多数致力于治疗和预防癌症的生物医学机构都将重点放在癌基因上。然而您认为癌症与其说是一种基因组疾病，不如说是一种代谢疾病。你能解释一下为什么吗？
大约 10 年前，癌症界惊讶地发现，在某些癌症中，突变可能导致克雷布斯循环的部分部分倒退。这让人非常震惊，因为克雷布斯循环通常被认为只有向前旋转才能产生能量。但事实证明，虽然癌细胞确实需要能量，但它真正需要的更多的是碳基生长材料。因此，整个肿瘤学领域开始将克雷布斯循环的逆转视为一种有助于癌细胞生长的代谢重新布线。
这一发现还引起了对癌细胞主要通过有氧糖酵解生长这一事实的重新解释。实际上，即使在有氧存在的情况下，癌细胞也会从线粒体中燃烧氧气进行呼吸转变为像酵母细胞一样发酵以获取能量。当奥托·瓦尔堡 (Otto Warburg) 在近 100 年前报道这一点时，他关注的是能源方面。但癌症界现在认为这种变化与增长有关。通过转向有氧糖酵解来获取能量，癌细胞可以释放线粒体用于其他目的。癌细胞具有生物合成线粒体来制造生命的基石。
确实，您在癌症中看到了癌基因突变。但癌症并不是简单地由某些基因决定性突变引起的，这种突变迫使细胞不停地生长。新陈代谢对于为生长提供宽松的环境也很重要。从这个意义上说，生长先于基因。
如果不是突变的积累，是什么让我们随着年龄的增长更容易患癌症？
我认为任何会减慢克雷布斯循环的呼吸损害都会使其更有可能逆转为生物合成。随着年龄的增长和各种细胞损伤的积累，我们新陈代谢的这个核心部分可能更有可能开始倒退，或者不再有效地前进。这意味着我们的能量将会减少；这意味着我们的体重将开始增加，因为我们开始将呼出的二氧化碳转化为有机分子。我们患癌症等疾病的风险会增加，因为我们的新陈代谢很容易发生这种增长。
老年学界已经沿着这些思路讨论了 10 到 20 年。与年龄相关的疾病的最大危险因素不是突变，而是突变。它已经老了。如果我们能够解决衰老的根本过程，那么我们就可以治愈大多数与年龄相关的疾病。从很多方面来看，它似乎都非常简单。我们真的会突然活到120岁或800岁吗？我认为这不会很快发生。但问题是，为什么不呢？
我们为什么会变老？是什么导致细胞损伤不断增加？
在过去的五六年里，我们发现克雷布斯循环中间体是有效的信号。因此，如果循环减慢并开始倒退，那么我们就开始积累中间体，并且琥珀酸等物质开始从线粒体中流出。它们打开和关闭数千个基因，并改变细胞的表观遗传状态。衰老反映了你的新陈代谢状态。
我们往往会忘记，新陈代谢在您体内的每个细胞中每秒可能会发生 20 亿次反应，一秒又一秒。在所有这些途径中，包括克雷布斯循环的核心，不断转变的分子数量是巨大的。这是一条无情的反应之河。我们无法扭转它的流动，但我们也许可以希望在银行之间更好地引导它。
