深海热液喷口中发现的矿物催化剂将二氧化碳和氢转化为生物分子，与已知的生物途径具有惊人的相似之处。图片：Susan Lang, U. of SC./NSF/ROV Jason/ Woods Hole Oceanographic Institution
来自德国、法国和日本的研究人员的国际合作调查了深海热液喷口中发现的矿物的催化活性。结果表明，矿物质驱动的化学反应可能与微生物碳代谢密切相关。
没有新陈代谢，地球上的生命就不可能开始。科学家已经提出了碱性热液喷口作为可能的环境，在该环境中可能出现了比细胞生命更早的新陈代谢形式。代谢的第一步本来是地质化学，但仍可能保留在进化生物学家认为是古老的生化途径中。其中之一是乙酰辅酶A（acetyl-CoA）途径。微生物利用它将二氧化碳（CO2）转化为乙酸盐和丙酮酸，成为更复杂的碳代谢的切入点。有趣的是，这是唯一已知的使用氢（H2）作为电子源和H2的生物碳固定路径。在碱性热液喷口系统中非常丰富。尽管如此，在生物学相关的深海喷口条件下，地球化学现实的CO2固定导致更高碳的生物分子仍然具有挑战性。
为了寻找非生物（非生命）和生物（生命）之间的桥梁，德国、法国和日本的研究人员受到了生物乙酰辅酶A途径特性的启发。在生物学中，复杂的酶促进CO2和H2之间的反应，但热液矿物可以充当同一反应的非酶形式的催化剂。约瑟夫·莫兰（Joseph Moran）教授是对原代谢生命感兴趣的有机化学家，也是法国斯特拉斯堡大学化学催化实验室的负责人。他解释说：“乙酰辅酶A酶和水热矿物的共同点是过渡金属，例如铁（Fe）和镍（Ni）。这些金属还通常用作有机化学中的催化剂，以促进难以完成的反应。” 基于斯特拉斯堡的团队已经在生命起源中探索了仅使用金属铁来固定CO2的方法。现在是转向地质丰富的矿物催化剂的正确时机。
杜塞尔多夫海因里希海涅大学的生物学家威廉·马丁（William Martin）教授研究生物化学和地球化学CO2固定之间的相似之处已有二十年了。马丁说：“在生理条件下，单独的H2还原能力不足以固定CO2。我们希望找到能够在最开始就支持生命的催化剂，而不是采用复杂的生物学机制。” 他们与化学家马丁娜·普莱纳（Martina Preiner）博士（该论文的第一作者）一起，联系了德国的马克斯普朗克煤炭研究所的一个研究小组，该小组由专门研究非均相催化作用的哈伦·图伊兹（HarunTüysüz）博士领导。
经过一番集思广益，马丁娜、莫兰和图伊兹决定实验将从H2、CO2以及在碱性热液喷口中发现的矿物质 - 红铁矿和磁铁矿 – 开始。但是，并非只有三个团队的目标相似。筑波和札幌（国家先进工业科学技术研究所生物生产研究所）的研究人员已经开始使用H2来还原CO2，而不是在深海喷口系统中很常见的硫化铁催化剂（如灰铁矿）。微生物学家Kensuke Igarashi博士（该研究的第一作者）在札幌用灰铁矿进行了实验，他解释说：“很显然，如果我们彼此共享研究结果，我们可以对我们的发现有更深刻的了解。”
确实，这种开明的方法被证明是卓有成效的。尽管在世界各地的三个不同实验室中对三种热液矿物（赤铁矿（Ni3Fe），磁铁矿（Fe3O4）和灰铁矿（Fe3S4）进行了H2的CO2固着，但结果导致同样的结论。“所有这些矿物质都在水中催化H2固定CO2。产量与乙酰基辅酶A生物途径相对应：甲酸盐、乙酸盐和丙酮酸盐。”斯特拉斯堡化学家，论文的第一作者，同时负责磁铁矿实验的卡米拉·穆奇奥斯卡（Kamila Muchowska）博士说。图伊兹解释说：“研究了所有被测试矿物的表面，我们有充分的证据表明反应是催化的并且发生在矿物表面。在CO2固着的水热过程中，H2起着电子和能量供体的作用，就像生物学中一样。这确实令人惊讶。”。
研究人员的发现表明，简单的非生物地球化学反应可能为微生物今天仍在使用的早期代谢铺平了道路。热液矿物可能已作为后来的酶促乙酰辅酶A途径的地球化学引物。这些结果可能不仅与陆地热液系统有关，而且科学家并未排除可能通过其他地方的类似途径引发原生代谢的可能性。
该研究发表在《自然生态与进化》杂志上。
