基因变了，但“指纹”没变？寻找外星生命的“黄金标准”稳如泰山

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通过重建一种来自地球深远过去的酶，研究人员发现其保留了与古老岩石完全相同的化学指纹。这一发现证实，一种关键的生命信号在数十亿年间始终保持稳定。

这种延续性重塑了科学家解读地球早期历史的方式，并强化了人类探测地外生命为数不多的有效工具之一。

在活体微生物内部，固氮酶的这种特性逐渐显现。固氮酶能让生物将大气中的氮转化为生物燃料。

威斯康星大学麦迪逊分校的贝蒂尔·卡恰尔及其同事通过重建该酶的古老版本并观察其在细胞中的运作，证明了与固氮作用相关的同位素印记与原始沉积物中记录的信号相吻合。

即便这种酶的基因序列和性能在漫长的地质年代中发生了变化，上述结论依然成立。这回应了一个长期存在的疑问：即现代化学过程是否会误导人们对早期生命的理解。

这种一致性为氮同位素所能揭示的信息划定了清晰边界，也为深入探究这一分子信号在其他特征演化时为何能保持不变奠定了基础。

生命需要氮来构建蛋白质和遗传物质，但大多数生物无法直接利用头顶大气中的氮气。

一些微生物通过“固氮作用”解决了这一难题，它们将氮气转化为细胞可以吸收的氨。

固氮酶负责完成这一转化过程。农作物依赖于生活在根系周围或水中漂浮的细菌伙伴；一旦固氮酶失效，整个生态系统的运作就会放缓，这正是该酶古代行为研究具有重大意义的原因。

在一些距今约32亿年的岩石中，氮同位素（具有不同中子数的同一种元素）暗示了早期生物的存在。

科学家会对比这些岩石中重氮和轻氮的平衡状态，因为生物活动通常更偏好其中一种形态。

这种模式被称为“生物标志物”，即使没有形成化石，它也是证明生物曾经存在的测量线索。然而，这种研究方法依赖于一个前提：古代酶留下的同位素模式必须与现代酶相同。

新细胞中的旧基因

研究人员没有等待稀有的化石出现，而是从零开始编写古代基因，并将其植入现代细菌中。

这种方法利用了合成生物学技术，通过构建和重写基因让细胞执行新任务，从而重现已不存在的蛋白质。

团队选择了一种名为“棕色固氮菌”的微生物，因为它本身具备固氮能力，且比许多物种更耐受氧气。通过将细菌自身的酶部件替换为重建的部件，细菌必须依赖这些古代指令才能生长。

在工程微生物完成固氮后，团队测量了细胞物质中重氮的含量。

尽管这些酶在演化史上相隔超过20亿年，但其化学信号依然高度聚集，并未随时间推移而偏离。

这种一致性与科学家在当今活体固氮微生物中观察到的情况相符。这增强了学界的信心，证明古老岩石中的相同信号反映的是真实的生物活动，而非后期的干扰。研究团队终于可以将氮同位素线索视为稳定的参考，而非变幻莫测的目标。

尽管微生物仍能仅靠氮气生存，但复活后的酶与现代酶的表现并不完全一致。

实验表明，某些古代版本的运作速度较慢，这说明蛋白质机器虽然发生了改变，但核心化学特性得以保留。

由于同位素模式始终与反应中的特定步骤挂钩，基因突变并未重写这一信号。这种“速度改变但特征恒定”的现象暗示，进化在优化性能的同时，并未触动地质学家测量的核心部分。

重新解读早期地球

由于特征保持稳定，地质学家在研究最古老的沉积物时可以更有把握地解读氮同位素。

这在“大氧化事件”之前的研究中尤为重要。在那个大气中氧气水平长期上升、微生物在无氧环境中主宰地球的时代，二氧化碳和甲烷占据了更多天空。

当时的固氮微生物维持着生态系统的运行。如果这些微生物留下的同位素标记始终如一，研究人员就能更清晰地将真实的生物信号与后期的化学干扰区分开来。

寻找外星生命

美国国家航空航天局非常关注稳定的生物标志物，因为探测器和着陆器需要寻找那些能历经数十亿年变化而幸存的化学目标。

卡恰尔在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室隶属于一个由NASA资助的小组，该小组通过研究深远时空中的生命来指导未来的搜寻工作。

地球形成于约45.4亿年前，美国地质调查局（UGSG）阐明了科学家确定这一数字的过程。卡恰尔表示：“作为天体生物学家，我们依靠了解自己的星球来理解宇宙中的生命。”

酶与地球生命

此次重建的酶仅来自固氮酶演化史的一个分支，因此不能代表所有的古代微生物。

此外，实验室环境是受控的，这意味着早期地球的温度、海洋化学和压力的变化仍需进一步测试。

卡恰尔团队希望查明，为什么在酶的其他部分不断演化的过程中，同位素控制力能保持不动。找到这个答案或许能提高NASA任务判断火星异常化学成分的准确性，同时也能提醒人们不要过度解读单一信号。

这项重建酶的工作将实验室生物学与岩石数据联系起来，证明了一项核心反应具有一致的印记。未来的实验可以将这种方法推广到其他酶上，但在确认任何事物为“生命”之前，团队仍需搜集更多证据。

该研究已发表于《自然·通讯》杂志。

作者：埃里克·罗尔斯