深海熱液噴口中發現的礦物催化劑將二氧化碳和氫轉化為生物分子，與已知的生物途徑具有驚人的相似之處。圖片：Susan Lang, U. of SC./NSF/ROV Jason/2018 Woods Hole Oceanographic Institution
來自德國、法國和日本的研究人員的國際合作調查了深海熱液噴口中發現的礦物的催化活性。結果表明，礦物質驅動的化學反應可能與微生物碳代謝密切相關。
沒有新陳代謝，地球上的生命就不可能開始。科學家已經提出了鹼性熱液噴口作為可能的環境，在該環境中可能出現了比細胞生命更早的新陳代謝形式。代謝的第一步本來是地質化學，但仍可能保留在進化生物學家認為是古老的生化途徑中。其中之一是乙醯輔酶A（acetyl-CoA）途徑。微生物利用它將二氧化碳（CO2）轉化為乙酸鹽和丙酮酸，成為更複雜的碳代謝的切入點。有趣的是，這是唯一已知的使用氫（H2）作為電子源和H2的生物碳固定路徑。在鹼性熱液噴口系統中非常豐富。儘管如此，在生物學相關的深海噴口條件下，地球化學現實的CO2固定導致更高碳的生物分子仍然具有挑戰性。
為了尋找非生物（非生命）和生物（生命）之間的橋梁，德國、法國和日本的研究人員受到了生物乙醯輔酶A途徑特性的啟發。在生物學中，複雜的酶促進CO2和H2之間的反應，但熱液礦物可以充當同一反應的非酶形式的催化劑。約瑟夫·莫蘭（Joseph Moran）教授是對原代謝生命感興趣的有機化學家，也是法國斯特拉斯堡大學化學催化實驗室的負責人。他解釋說：「乙醯輔酶A酶和水熱礦物的共同點是過渡金屬，例如鐵（Fe）和鎳（Ni）。這些金屬還通常用作有機化學中的催化劑，以促進難以完成的反應。」 基於斯特拉斯堡的團隊已經在生命起源中探索了僅使用金屬鐵來固定CO2的方法。現在是轉向地質豐富的礦物催化劑的正確時機。
杜塞道夫海因裡希海涅大學的生物學家威廉·馬丁（William Martin）教授研究生物化學和地球化學CO2固定之間的相似之處已有二十年了。馬丁說：「在生理條件下，單獨的H2還原能力不足以固定CO2。我們希望找到能夠在最開始就支持生命的催化劑，而不是採用複雜的生物學機制。」 他們與化學家馬丁娜·普萊納（Martina Preiner）博士（該論文的第一作者）一起，聯繫了德國的馬克斯普朗克煤炭研究所的一個研究小組，該小組由專門研究非均相催化作用的哈倫·圖伊茲（HarunTüysüz）博士領導。
經過一番集思廣益，馬丁娜、莫蘭和圖伊茲決定實驗將從H2、CO2以及在鹼性熱液噴口中發現的礦物質 - 紅鐵礦和磁鐵礦 – 開始。但是，並非只有三個團隊的目標相似。筑波和札幌（國家先進工業科學技術研究所生物生產研究所）的研究人員已經開始使用H2來還原CO2，而不是在深海噴口系統中很常見的硫化鐵催化劑（如灰鐵礦）。微生物學家Kensuke Igarashi博士（該研究的第一作者）在札幌用灰鐵礦進行了實驗，他解釋說：「很顯然，如果我們彼此共享研究結果，我們可以對我們的發現有更深刻的了解。」
確實，這種開明的方法被證明是卓有成效的。儘管在世界各地的三個不同實驗室中對三種熱液礦物（赤鐵礦（Ni3Fe），磁鐵礦（Fe3O4）和灰鐵礦（Fe3S4）進行了H2的CO2固著，但結果導致同樣的結論。「所有這些礦物質都在水中催化H2固定CO2。產量與乙醯基輔酶A生物途徑相對應：甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽。」斯特拉斯堡化學家，論文的第一作者，同時負責磁鐵礦實驗的卡米拉·穆奇奧斯卡（Kamila Muchowska）博士說。圖伊茲解釋說：「研究了所有被測試礦物的表面，我們有充分的證據表明反應是催化的並且發生在礦物表面。在CO2固著的水熱過程中，H2起著電子和能量供體的作用，就像生物學中一樣。這確實令人驚訝。」。
研究人員的發現表明，簡單的非生物地球化學反應可能為微生物今天仍在使用的早期代謝鋪平了道路。熱液礦物可能已作為後來的酶促乙醯輔酶A途徑的地球化學引物。這些結果可能不僅與陸地熱液系統有關，而且科學家並未排除可能通過其他地方的類似途徑引發原生代謝的可能性。
該研究發表在《自然生態與進化》雜誌上。