深海生命起源基础：金属催化

生命化学中，有一位看似格格不入的参与者：磷酸盐。这种由一个磷原子和四个氧原子构成的简单分子，能将核苷酸连接起来，构成DNA的骨架，同时还在为活细胞供能的过程中扮演关键角色。然而，磷酸盐难溶于水、反应活性低，从生化角度来看，本不该承担如此重要的作用。如今，进化生物学家威廉·马丁认为他找到了答案：生命究竟是如何依赖上磷酸盐的。他提出，这一过程发生在深海海底的热液喷口之中——这里泉水滚烫、富含矿物质，长久以来，他都主张生命最初就诞生于此，相关化学反应则由金属催化完成。

伦斯勒理工学院的地质学家马特·帕塞克表示，马丁近一个月陆续发布多篇预印本论文，提出的这套假说为困扰生命起源研究多年的磷酸盐难题提供了一条思路新颖、颇具前景的解答。不过，和所有关于生命早期化学过程的理论一样，该假说也面临其他观点的挑战，帕塞克本人就提出了不同看法。

马丁的研究灵感最早源于2000年。当时，康斯坦茨大学的微生物学家伯恩哈德·欣克与其学生米夏埃尔·弗里德里希发现了一种细菌，它合成二磷酸腺苷（ADP）的方式十分特殊。ADP是一种富含磷酸基团的分子，也是所有细胞主要的能量来源。这种细菌分离自意大利威尼斯海域，它可以将亚磷酸盐转化为磷酸盐；在此过程中，它会把一个磷酸基团结合到单磷酸腺苷（AMP）上，使AMP转化为ADP，而ADP又是细胞主要供能物质三磷酸腺苷（ATP）的关键前体。欣克介绍，这种由AMP转化为ADP的细菌代谢途径在当时属于首次发现，此后他又找到了第二种具备相同能力的微生物。

2023年，欣克团队解析出了催化AMP与亚磷酸盐反应生成ADP的细菌酶。受这一发现启发，马丁团队提出猜想：在生命起源阶段，热液喷口岩石中的金属物质，或许就扮演着如今这类细菌酶的角色——利用亚磷酸盐转化为磷酸盐过程中释放的能量，促成ADP的生成。

这一猜想，也与马丁团队长期研究的主流假说相契合：在生命演化早期，甚至在基因和酶出现之前，热液喷口处的金属就已催化合成出第一批生物分子。随着生命不断演化，酶与有机辅因子逐渐出现，并取代了金属的作用，让各类生化反应变得效率更高、特异性更强。

马丁与学生马农·施利克开展实验，测试了多种金属能否促使亚磷酸盐发生反应、并利用AMP合成ADP。实验结果显示，镍具备一定催化效果；而性质相近的钯催化效果尤为突出。在生物分子浓度与普通细菌细胞内浓度相当的条件下，钯能够催化磷酸基团与多种重要生物分子结合，包括构成核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）的核糖、葡萄糖、单磷酸腺苷、肌酸以及乙酸盐。

接下来的问题是：马丁所认为的生命诞生地——这类热液喷口中，是否存在上述催化金属？他重点研究蛇纹石化热液喷口：地幔富铁岩石与海水发生反应，会在此处生成大量氢气，而氢气正是早期生命的能量来源。近年研究证实，这类喷口环境中确实含有镍、钯以及多种其他金属。

> 配图说明：磷酸盐（左）性质稳定、溶解性差，难以与有机分子发生反应；而亚磷酸盐（右）在合适催化剂的作用下，可与核糖等分子形成磷酸键，进而生成RNA、DNA及其他关键生物分子。

> 数据来源：美国公共化学数据库（化合物编号1061、406），检索时间2026年6月11日；科廷大学地质学家凯蒂·埃文斯的团队近期分析了这类喷口地幔岩石中富含金属的微小颗粒，她表示：“我们观测到的现象十分惊人。这些金属颗粒拥有巨大的比表面积，所处化学状态也能与蛇纹石化环境中的流体持续发生相互作用，种种特征都表明它们完全可以充当高效催化剂。”

除金属催化剂外，马丁的理论要成立，还需要环境中存在亚磷酸盐。而四年前，帕塞克所在的伦斯勒理工学院团队就已证实，部分蛇纹岩中确实含有亚磷酸盐。简言之，这类热液喷口集齐了所有必要条件，能够推动磷酸基团融入核心生化反应，且反应模式与如今部分微生物的代谢方式高度相似。

不过帕塞克并不认为，这是生命解决磷酸盐难题的唯一途径。他在去年发表了另一套理论，核心围绕一种名为亚磷酰胺的含磷物质展开。和马丁的理论一样，帕塞克设想的化学反应本质也是氧化亚磷酸盐，只是反应条件不同。但马丁对此持怀疑态度，他认为帕塞克提出的反应环境在远古时期并不存在。马丁指出，该反应需要强氧化剂，而依据现有研究，在原始、荒芜且毫无生命的早期地球上，这类物质含量极低。尽管如此，他也认为热液喷口中的钯，或许能够催化帕塞克所提出的亚磷酰胺相关反应。

帕塞克则保持着开放的态度：“我认为磷酸盐难题可能存在多种答案。我们目前无法确定哪一种才是真相，甚至还有很多未知的可能性等待发掘。”

在马丁看来，一套具备合理性的生命前体化学理论，其反应机制必须和现代细胞的代谢过程相近。倘若原始生物分子的合成途径与现代细胞代谢完全不同，那就意味着生命代谢体系曾先后独立演化出两次。而代谢过程极其复杂，二次演化的可能性微乎其微。他说道：“生命的代谢机制，和遗传密码一样，在整个生物界高度保守。”

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