在动物起源时将能量代价高昂的氨基酸外包

这对日常生活为何重要

你每一口食物都含有氨基酸——构成蛋白质的基本单元。其中一些可以由体内合成，而另一些则必须从饮食中摄取，被称为“必需”氨基酸。本文提出了一个看似简单却影响深远的问题：为什么我们的动物祖先停止合成许多这些能量代价高昂的成分，而开始依赖外部来源？作者认为，答案在于生命能量预算的一场深刻进化重构。

蛋白质构件的隐藏能量代价

细胞在合成每一种氨基酸时都要支付能量成本。作者利用详细的生化数据，计算了在不同代谢模式下合成20种标准氨基酸所需的能量——从低氧的发酵到依赖氧气的呼吸。他们区分了“直接”成本（合成氨基酸时消耗的燃料）与“机会”成本（将相同起始物质用于燃烧而获得的额外能量）。在类似动物高呼吸率生活方式的条件下，被标为必需的氨基酸作为一个整体，比非必需氨基酸的合成代价高得多。

吸入更多氧气使某些氨基酸尤其昂贵

当作者比较按能量成本排序的所有20种氨基酸时，发现了一个显著的模式：几乎所有最便宜的氨基酸是动物仍能自行合成的，而几乎所有最昂贵的则是我们现在从食物中获得的必需氨基酸。随着他们对更高效、基于氧气的呼吸（动物细胞的特征）进行建模，这种分裂变得更加明显。在高呼吸条件下，廉价与昂贵氨基酸在总能量成本上的差距急剧扩大。换言之，一旦富氧环境普遍存在、细胞能从食物中收获更多能量，合成最昂贵氨基酸的相对代价飙升，使它们成为“外包”的首选。

进化是选择外包还是偶然为之？

为检验这一模式是否可能是偶然出现的，研究组开发了一种概率方法，称为组合表型选择检验。他们问：如果随机选出九种或十一种氨基酸作为“必需”，会多频繁得到一个其平均能量成本与真实动物必需集一样高的集合？模拟所有可能组合的结果显示，实际的动物必需氨基酸集合位于分布的高成本尾部，几乎不可能由偶然产生。这支持了这样一种观点：自然选择通过能量节约作用，促成了哪些氨基酸被动物放弃自我合成。作者还考察了每种氨基酸参与的不同反应和通路数量（即其“多效性”）。深度嵌入多种过程的氨基酸不太可能被外包，这提示在节能与维持关键代谢功能之间存在权衡。

从单细胞到具有高代价蛋白的动物

研究人员随后在167个物种中绘制了氨基酸合成通路图谱，这些物种从与动物相关的单细胞生物到多样的动物类群不等。非动物近缘物种大多保留了合成全部20种氨基酸的能力，而动物则一致地丧失了针对相同那部分高代价氨基酸的通路。重要的是，动物并没有通过在蛋白质中避免使用这些昂贵构件来应对通路的丧失。相反，动物蛋白实际上比它们的单细胞近亲更频繁地使用能量代价高的氨基酸。一旦合成转移到环境中——通过食物——在蛋白质内最小化这些氨基酸使用的进化压力就减弱了，使动物基因能够在不承担全部能量代价的情况下探索更广泛的序列可能性。

关于动物如何出现的新视角

对非专业读者而言，核心信息是：动物的起源可能并非一次偶发事件，而是一场能量管理的革命。随着氧气的上升和食物来源中氨基酸的富集，早期动物可以通过放弃最昂贵的合成步骤并改为外部摄取这些成分来节省大量能量。这些节省下来的能量随后可能被重新用于动物的标志性特征，如运动、神经信号传递和复杂组织。我们现在所说的“必需”与“非必需”氨基酸之分，因而反映了一项深刻的进化交易：我们如今必须从食物中获得的，正是那些曾被我们的祖先认为难以自行合成、代价太高的氨基酸。

引用: Kasalo, N., Domazet-Lošo, M. & Domazet-Lošo, T. Outsourcing of energetically costly amino acids at the origin of animals. Nat Commun 17, 1921 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68724-6

关键词: 必需氨基酸, 动物进化, 代谢与能量, 蛋白质生物合成, 氧气与呼吸