日本国立研究开发法人产业技术综合研究所的五十岚健辅研究员等人,与德国杜塞尔多夫大学、法国斯特拉斯堡大学、德国马克斯·普朗克煤炭化学研究所及柏林夏里特医学院共同发现,使用矿物质作为催化剂,用氢气(H2)和二氧化碳(CO2)合成了有机物,并提出了这种反应有可能就是生命起源的观点。
生命是由有机物组成的,但生命最初的有机物是如何产生的始终存在众多谜团。目前比较有力的假说是,通过单纯的气体合成了有机物,这些有机物的积累诞生了生命。原始地球上有很多地下热水喷出口,其中富含氢气和二氧化碳,以及可以作为催化剂的矿物质,被认为是生命起源地的最佳候选。
此前虽然已在数百度以上的极端条件下证实了可以用氢气和二氧化碳合成有机物,但没有以天然矿物质为催化剂,在接近生物代谢反应的温和条件下的反应。此次发现来自热水喷口的多种矿物质可以发挥催化剂的作用,在100 ℃以下用二氧化碳合成出有机物。这项成果有望为了解生命起源做出巨大贡献。
此次发现的反应的概要

研究内容

在原始地球环境下由无机物产生有机物的反应在化学研究中特别重要,基于氢气的二氧化碳还原反应就是个典型例子。这种反应不仅能生成有机物,很多时候还会释放出能量,被认为是初期生命诞生时的能量来源。不过,要想进行这种反应,需要克服高活化能的障碍,因此科学家们认为应该有合适的催化剂存在。
图1:热水喷口形成的3种天然矿物质,以此为催化剂通过二氧化碳合成了有机物
此次,研究团队通过实验证明,3种天然矿物质(胶黄铁矿Fe3S4、磁铁矿Fe3O4、铁镍矿Ni3Fe)均可作为氢气还原二氧化碳还原反应的催化剂(图2)。作为催化剂的3种天然矿物质被认为可通过地下热水与岩石的反应持续形成,并聚积在热水喷口附近。研究团队模拟原始地球环境的多样化条件,借助这些矿物质使氢气、二氧化碳和水发生反应,合成出了甲酸、乙酸、丙酮酸等可能是初期生命诞生基础的多种有机物。
该反应的基本原理与最原始的生物甲烷菌和产乙酸菌等进行的氢气还原二氧化碳的反应(还原性乙酰辅酶A途径)相似(图2)。该反应高度支持“利用矿物质表面无机(非生物性)产生的二氧化碳合成有机物的反应通过提供有机物和能量,创造了具有自养性的初期生命”的假说。研究认为,随着这种二氧化碳还原反应持续发生,蛋白质、核酸以及脂质得以产生,最终促成了初期生命的诞生。
此次的成果表明,其他行星只要具备有热水喷口等条件,也可能合成有机物和诞生生命。这为探索生命的起源和外星生命提供了重要的线索。相关成果已于2020年3月2日发布在《Nature Ecology & Evolution》期刊上。
图2:原始微生物的代谢(左)与利用矿物质的二氧化碳还原反应(右)的相似性
文:JST客观日本编辑部编译