更新时间：作者：小小条
功能性生物大分子系统主要指核酶、酶、核糖体分子系统，这是让生命“运转”起来的引擎和工具。【地球生命诞生是化学反应逐渐让位于生物化学的过程，这个过程起始于有机大分子向生物大分子转化的时期。然后，生物大分子体系出现了多路径并行、多机制协同、多种规律交替作用、多样性丰富的的热闹场景，不同生命前物质互相竞争融合，为新生命的形成打下了坚实的基础。】
【各种生命前物质，结构逐渐复杂化，可以说已经接近了化学合成极限，但是如果没有功能性大分子帮助“启动”，结构再复杂，也绝没有登堂入室变成生命物质的可能。正是这些功能性大分子帮助有机大分子结构升级，并赋予生物大分子以“灵魂”。】
【让生命“运转”起来的关键，是催化系统的升级：从反应剧烈效率低下的化学催化，到温和高效的生物催化，然后出现了生物独有的催化系统——核酶、酶。这是生命诞生最关键的一环，是生命“活”起来的“轴心”。催化体系由此完善，并固定下来。好用的设施永远不会被放弃，酶家族的繁盛就是最可靠的案例。】
催化作用是驱动化学反应，构建复杂生物分子，最终形成生命系统的核心引擎。生命的化学合成离不开催化作用的支持，催化作用始于自催化。自催化的研究重点并不是复杂生物大分子如何形成，而是复杂行为的起源。
2020年9月波兰科学院的学者设计了一款前生命化学反应网络，以水、氮气、硫化氢、氨气、氰化氢、甲烷等结构简单的物质作为反应底物（由于担心加入磷会引起网络规模暴增，暂未加入），使用了614条化学反应规则，经历几代反应之后，涌现出了自催化循环等化学系统。自催化系统一般代谢过程常受酶催化反应驱动，而在这个网络中，可以观察到硫醇一为二，二为四……硫醇产生的速率越来越快，初始的氨基酸和硫分子结合成多肽类的表面活性剂。整个反应网络纯粹是有机小分子的自催化反应，不需要酶。【自催化反应网络中离不开含硫小分子：硫酯和硫醇。含硫化合物在生物主动性方面有重要作用，硫酯更是与原始代谢循环有关。这在硫元素讨论时已经提及。可见磷、硫是自催化的核心物质，也是生命诞生的关键物质。】
图：催化
这个网络实验为“代谢优先”理论提供了支持：即使不依赖信息分子，无需复杂的酶，仍可以从简单物质的化学代谢中形成自催化循环。这意味着在早期地球环境中，有可能通过简单的反应步骤，自发形成原始的细胞囊泡结构。
【不过，这个实验生成了82种生物分子（氨基酸、多肽、核苷酸、碱基、碳水化合物和代谢产物等）和36603种非生物分子，产物如此庞杂，筛选过程毫无效率可言，怎能保证生命物质可以脱颖而出。】
在生命的合成和进化历史上，出现过五种催化方式：自催化、金属催化、光催化、电催化和酶催化，前文均已经陆续提及，这里先做一个简要汇总。
最早最原始的催化形式自然是上面提到的自催化，铁硫簇的作用和深海热泉热液喷口的矿物都是金属催化剂，叶绿素、叶绿体和光合细菌依靠的是光催化，生物的跨细胞信息传递和多细胞协作的基础就是生物电化学。在众多催化方式中，生物最终选择了酶催化。原因在于，酶催化具有高效性、多样性、专一性、温和性、可调节性、易变性，如此好用，无可替代。
酶催化的形成过程分为三个阶段：早期可能只是短肽起到的弱催化作用，LUCA形成前出现了折叠的核酶类，最后出现了基因复制产生的蛋白酶，全面掌控了生物的催化机制。整个建设过程用去了十亿年的时间，从那时起酶的地位从未动摇，酶家族越来越庞大。
图：酶催化过程(底物结合、化学反应、产物释放)
当然，不能忘记各种催化机制的协同作用，比如叶绿素的基础是通过镁离子螯合物为核心的金属催化，实现了光催化，反应中心是精密组合的酶复合体。这种层级间巧妙整合体现出生命的精妙之处。
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