在無機環境中，金屬硫化物能催化三羧酸迴圈裡的各種有機酸

三羧酸迴圈出現得這樣廣泛並非偶然，其中的大部分有機酸都是類似物質裡最穩定的，所以其他各種有機物都可能透過各種可能的反應，源源不斷地被轉化成這幾種物質，促成這個迴圈。

這就好像在下雨的平地上挖幾個坑，雨水就會從四面八方源源不斷匯入其中，這是熱力學偏愛的結果。這幾種有機酸彼此不斷轉化，也就像是在水坑之間挖通了溝道，在任何一個坑裡添水取水，其他幾個坑都會跟著分流，由此迴圈流動起來了。

細胞內的任何一種有機物，都可以透過種種化學反應，變成這個迴圈中的某個物質，由此匯入迴圈。之後或者在迴圈中徹底分解，給生命活動提供能量，或者從迴圈的其他地方分流出來，變成其他有機物。

水到渠成的三羧酸迴圈就像是物質能量代謝的

“

中央環線

”

，生物化學上常常用

“

條條大路通羅馬

”

形容它。比如在我們節食減肥的時候，一部分脂肪就會被拆解成乙醯輔酶

A

，流入三羧酸迴圈，由此氧化消耗掉。

而如果我們是在運動減肥，迴圈中的一部分物質還會分流出去，進入氨基酸的合成代謝，並最終轉化成肌肉裡面的蛋白質，因此脂肪越來越少，肌肉越來越多。

反過來，一個人如果只吃不動，迴圈中的能量消耗不動，那麼糖分剛剛變成乙醯輔酶

A

就會被立刻分流出去，變成脂肪儲存起來，甚至某些肌肉裡的蛋白質也會自發分解，經周圍的支流匯入迴圈，再透過乙醯輔酶

A

也變成脂肪儲存起來，因此肌肉越來越少，肥肉越來越多。

至於作為固碳作用的逆三羧酸迴圈，原理也是一樣的：它們在厭

氧環境下迫使迴圈倒著轉動，於是就會有二氧化碳和氫原子源源不斷地被捲入，並透過逆三羧酸迴圈的各個分支，轉化成細胞需要的一切有機物了。

所以我們也可以設想，在

40

億年前的某處，先是出現了一些各行其是的簡單有機物，但出於熱力學的必然，這些有機物更多地生成了那幾種有機酸（比如丙酮酸、檸檬酸、

α-

酮戊二酸之類的），隨著這些有機酸越聚越多，它們就透過彼此的轉化迴圈了起來。而原始的地球缺乏氧氣，有機物傾向於合成積累而不是氧化分解

。

如果這樣的事情真的發生了，環境中的二氧化碳和氫就會不斷匯入，變成種類豐富的有機物，比如糖、氨基酸、脂肪酸，也就為生命的誕生做好了物質的準備。再後來，細胞直接接手了這套反應，並且在進化中保留了下來，如今的三羧酸迴圈反而是好氧的生物把逆三羧酸迴圈倒轉過來的創新改革了。

那麼，在生命出現之前的原始地球上，逆三羧酸迴圈究竟能不能轉動起來呢？似乎有不小的希望。首先，那些有機酸要順利地互相轉化需要恰當的催化劑。在今天的細胞內部，這些催化劑都是千姿百態的酶，是蛋白質。

但迄今為止的一系列研究也證實了在無機環境中，各種金屬硫化物，甚至金屬單質同樣能催化三羧酸迴圈裡的各種有機酸的相互轉化反應

。而在原始地球的海洋深處，那些熱液噴口恰恰正是這些催化劑最豐富的地方，硫化亞鐵、硫化鎳、硫化錳、硫化鋅、硫化鈷、硫化鉬

……

應有盡有，全是很強大的無機催化劑。

另一方面，正向的三羧酸迴圈是能量代謝的末端，會釋放能量，而逆三羧酸迴圈是物質代謝的起點，要被能量驅動。我們發現，在今天的細胞內，正向的三羧酸迴圈會產生一些高能的有機物，比如

ATP

和輔酶

NADH

，這是因為正向的迴圈在整體上是個釋能的反應，在熱力學上比較有利。

如果要沿用之前凹坑與水的比喻，我們可以說那些坑一個比一個深，坑裡的水面一個比一個高，那麼只需簡單的催化劑打通這些坑，整個反應就會從檸檬酸到

α-

酮戊二酸、琥珀酸、蘋果酸

……

順勢流淌下去。只是到了最後一個水坑，草醯乙酸要再回到檸檬酸，就得有一份額外的能量把水汲上去，才能把這水流閉合成一個迴圈。

於是你看，這步反應恰好伴隨著乙醯輔酶

A

的水解，而這個水解反應會釋放不少的能量，恰似一臺提水機，所以只要糖酵解能不斷提供乙醯輔酶

A

進來，三羧酸迴圈就會自然而然地執行下去了。

反過來，綠硫菌要讓三羧酸迴圈逆向旋轉，就是要讓水往高處流。所以，它們必須把那些高能物質重新注入迴圈，尤其是要把檸檬酸重新轉化成草醯乙酸和乙醯輔酶

A

，還得讓

“

提水機

”

也倒著轉，這就不得不再消耗一分子

ATP

了。

稍具體一些地說，綠硫菌的細胞膜上有一種酷似葉綠素的菌綠素，也能把光能轉化成化學能。這些化學能可以從硫化物上奪取電子，這些電子有一些被直接用來製造輔酶

NADH

，另一些則被投入化學滲透，把氫離子泵出細胞膜，然後驅動

ATP

合酶製造出

ATP

來。隨後，這些

NADH

和

ATP

就可以驅動逆三羧酸迴圈了。

這整個過程與植物是非常類似的，不同之處在於，植物會從水分子中奪取電子，因此會產生氧氣，

NADH

和

ATP

驅動的也是卡爾文迴圈，而不是逆三羧酸迴圈。但奇怪的是，

2005

年，我們在東太平洋海隆水深

2500

米的黑煙囪上發現了一群欣欣向榮的綠硫菌，暫時將其命名為

“GSB1”

，它們生活在絕對沒有陽光的環境中，又該拿什麼驅動光反應呢？

研究結果非常令人震驚，它們依賴的仍然是深海熱液釋放的微量的紅外線光子。這是因為，綠硫菌的光反應要比植物的光反應容易發生得多。要獲得

ATP

和

NADH

，細胞的光反應必須從某種物質上奪走電子。

對植物來說，它們的光反應是從水分子中奪取電子，稍有化學常識的人都能意識到，這是虎口奪食的事情，必然需要很高的能量。所以植物的葉綠素必須能從可見光中吸收能量，尤其是從藍紫光中吸收能量。

而綠硫菌的光反應卻是從硫化物上奪取電子

——

這個

“

柿子

”

就非常軟了，因為硫離子是還原性很強的離子，綠硫菌的菌綠素只需吸收最弱的紅光，甚至根本看不見的紅外線就能完成這個任務。經測算，

GSB1

的每分子

“

細菌葉綠素

”

，每天只需要接收不到

10

個光子就夠用了。

那麼，在細胞出現之前，逆三羧酸迴圈也能在原始環境中如此輕易地得到能量供應嗎？坦率地說，目前的研究還不甚明瞭，但一些大膽的嘗試卻很有價值。

2006

年，哈佛大學的幾個科學家模擬原始海洋的條件，設計了一次小規模的探索性實驗，試著給膠態的硫化鋅催化劑加上了光照，結果發現逆三羧酸迴圈的五個還原步驟中至少有三個可以用這種方法實現

。

但在進一步的實驗展開之前，我們還不敢說這意味著什麼。另外一項更新的研究發生在

2017

年。法國斯特拉斯堡大學的研究團隊發現，單質鐵、

+2

價鋅和

+3

價鉻不需要光照，就能在酸性環境中催化逆三羧酸迴圈。

或許，能量問題甚至不是三羧酸迴圈倒轉的關鍵。

不要忘了，三羧酸迴圈在需氧生物體內正向旋轉並不只是因為反

應本身的熱力學性質，還因為迴圈產生的二氧化碳和輔酶

NADH

會隨著能量消耗而被不斷地移除。也就是說，我們的細胞會源源不斷地從那些坑中

“

取水

”

，讓所有的水坑都灌不滿，更深的水坑才能有更低的水面，迴圈才得以持續。

否則，迴圈產生的二氧化碳和輔酶

NADH

就會堆積起來，最終讓所有坑裡的水面互相齊平。結果就是迴圈徹底停滯，不但乙醯輔酶

A

這個入口灌不進水來，上游的糖分消耗不掉了，而且還會有許多有機酸從支流跑出去，轉化成脂肪儲存起來，這也是好吃懶做容易

胖的

更微觀的原因。

所以反過來，如果原始環境聚集了大量的二氧化碳和活躍的氫，情況就會變成四周不斷地向坑中注水，當所有水坑都注滿，坑裡的水就會倒著從乙醯輔酶

A

那個入口，或者其他任何水位較低的開口流出去，還原成各種更復雜的有機物了。

總之，在更加豐富的實驗結果呈現出來之前，逆三羧酸迴圈作為生命起源的候選反應還充滿了未知，但也給我們帶來了很大的希望。即便它不是最初的固碳作用，它也仍然極有可能以某種完整或不完整的形式出現在生命誕生的前夕，為地質化學和生物化學的過渡奠定豐厚的物質和能量基礎，我們今後還會遇到它。