圖片：杜塞道夫海因裡希海涅大學
生命通過涉及數千個反應的密集網絡將食物轉化為細胞需要的物質。新的研究發現了這樣的網絡可能是如何從無到有的。一個來自德國、紐西蘭和美國的國際研究人員團隊研究了原始微生物的代謝網絡，並確定了比基因更古老的自催化集（自增強反應的相互關聯的集合）。
有生命的細胞是代謝網絡的最終產物。進入細胞的食物分子被轉化為中心中間體，然後被引導進入產生細胞分子的路線。這些網絡通常需要1000多個反應，幾乎所有反應都是由酶（蛋白質）進行的，而蛋白質是由基因（核酸）編碼的。基因和蛋白質之間的聯繫是根據基因中存儲的遺傳密碼來指示核糖體製造蛋白質。
這些成分都是相互聯繫的：核糖體由50％蛋白質和50％RNA組成（按重量），蛋白質是由胺基酸組成，RNA是由核酸鹼基組成，胺基酸和鹼基是通過代謝過程中大約1千次反應完成的，反應由基因編碼的酶催化。如此多的相互依存關係，在生命的起源過程中如何產生這樣複雜的相互作用系統，當這個問題在一百多年前被提出時科學家就陷入了困境。與所有複雜系統的演進一樣，它必須從簡單的事物開始。但是，喬安娜·哈維（Joana C. Xavier）及其同事在倫敦皇家學會B報告中的新發現為這一長期存在的問題提供了新的思路。
新的線索來自所有地方中最不被期望的：數學。大約50年前，美國博學專家斯圖爾特·考夫曼（Stuart Kauffman）提出，稱為自動催化集的理論構建可能是我們在代謝和細胞中發現的那種分子複雜性起源的中間產物。這樣的自催化集由既是產物又是催化劑的元素（集的成員）組成，使得它們在給定合適的起始原料的情況下可以自行製造更多。類似於代謝和酶。
這種自催化裝置的存在和性質仍然是許多猜測和數十年激烈辯論的主題，直到該研究的共同作者來自紐西蘭坎特伯雷大學的數學家邁克·斯蒂爾（Mike Steel）和來自荷蘭的計算機科學家維姆·霍迪克（Wim Hordijk）加入進來才有所進展。利用它們在計算機中的方法。他們發現，一類特殊的自催化集稱為RAF（反射性自催化食物生成網絡reflexively autocatalytic food generated networks），其設計與細胞代謝非常相似，具有出乎意料的完全性質，甚至可能是由刮擦引起的。「令人驚訝的是，這些元素只需要在系統中添加少量催化物，然後它們便開始自我製造。」斯蒂爾說：「這就是物理學家所說的自我組織。」
RAF結構
以真實細胞的代謝網絡為背景，是否可以在最原始的厭氧微生物中，在H2和CO2環境下檢測到RAF。杜塞道夫大學分子進化研究所的喬安娜·哈維發現RAF存在於古代厭氧菌的代謝中，但它們的規模遠小於整個代謝反應圖譜，古代微生物將H2和CO2轉化為乙酸包括394個化學反應，將H2和CO2轉化為甲烷則包括209個化學反應。哈維說：「這個中等大小很有趣，因為它指出了新陳代謝發展的中間狀態，它比單個反應複雜，但比細胞簡單。」
代謝化學反應網絡
長期以來，研究人員對與生命起源有關的兩種單細胞有機體 - 產乙酸菌和產甲烷菌 - 非常感興趣。它們與所有生命的最後共同祖先（LUCA）和熱液噴口的地球化學反應相關。哈維發現，產乙酸菌和產甲烷菌的代謝網絡有重疊，形成了由172個反應組成的古老核心網絡。這個古老的保守核早於細菌和古細菌的擴散，並具有令人著迷的特性。它可以從簡單的起始食物集中生成胺基酸和核酸鹼基，但如果僅以鹼基為食物，則不會出現代謝網絡。自催化先驅、這項研究的共同作者考夫曼說：「古老的自催化網絡在現生細胞代謝網絡中留下了痕跡（作者將其比喻成化石），而且在進化過程中先於RNA和蛋白質聚合物出現，這是我曾經在書中指出的進步。」
該研究的合著者、杜塞道夫大學的威廉·馬丁（William Martin）說：「LUCA代謝網絡比基因要古老，它們指向生命化學反應中的自然發生順序。」 在當今熱液噴口這種環境條件下，會產生產乙酸菌和產甲烷菌。熱液噴口處是否有生命？哈維說：「我們看得越仔細，就有越多的跡象指向那個方向。這個想法不斷匯聚新的發現。這些噴口可能是地球上第一個生物反應器。」
將自催化網絡識別為現代代謝的組成部分，使它們脫離了理論階段，進入了微生物生命的現實世界。他們揭示的化學演化最早階段的「化石」痕跡是出乎意料的，並為研究我們最深層的進化歷史開闢了新途徑。40億年前的生命，當時生命只是從一小部分天然存在的化學物質在某個地方開始的反應，也許是在熱液噴口處。