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这种固碳作用最亮眼的地方，就在于它的逆反应“三羧酸循环”如今广泛存在于一切需要氧气的细胞内，无论真核细胞、细菌细胞还是古菌细胞，都用它拆解最终的有机物。我们推测，它在更古老的厌氧生物体内就已经出现，比如今天一些被称为奇异变形杆菌的微生物，就能在厌氧环境下用它扩张菌落IV。
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三羧酸循环出现得这样广泛并非偶然，其中的大部分有机酸都是类似物质里最稳定的，所以其他各种有机物都可能通过各种可能的反应，源源不断地被转化成这几种物质，促成这个循环。这就好像在下雨的平地上挖几个坑，雨水就会从四面八方源源不断汇入其中，这是热力学偏爱的结果。这几种有机酸彼此不断转化，也就像是在水坑之间挖通了沟道，在任何一个坑里添水取水，其他几个坑都会跟着分流，由此循环流动起来了。V
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而且这也不只是打个比方而已，三羧酸循环在图2—13上只标记了“乙酰辅酶A”一个入口，但在真实的细胞代谢中，循环中的任何一个成员都可能来自细胞内的其他生化反应。如图3—3，细胞内的任何一种有机物，都可以通过种种化学反应，变成这个循环中的某个物质，由此汇入循环。之后或者在循环中彻底分解，给生命活动提供能量，或者从循环的其他地方分流出来，变成其他有机物。水到渠成的三羧酸循环就像是物质能量代谢的“中央环线”，生物化学上常常用“条条大路通罗马”形容它。
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比如在我们节食减肥的时候，一部分脂肪就会被拆解成乙酰辅酶A，流入三羧酸循环，由此氧化消耗掉。而如果我们是在运动减肥，循环中的一部分物质还会分流出去，进入氨基酸的合成代谢，并最终转化成肌肉里面的蛋白质，因此脂肪越来越少，肌肉越来越多。反过来，一个人如果只吃不动，循环中的能量消耗不动，那么糖分刚刚变成乙酰辅酶A就会被立刻分流出去，变成脂肪储存起来，甚至某些肌肉里的蛋白质也会自发分解，经周围的支流汇入循环，再通过乙酰辅酶A也变成脂肪储存起来，因此肌肉越来越少，肥肉越来越多。
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图3—3 细胞代谢图。黑色粗体的是三羧酸循环，中断的箭头表示省略了几种物质，紫红色图形是糖代谢各环节，蓝色圆是构成蛋白质的所有标准氨基酸，橙色圆角矩形代表脂肪和固醇代谢，嘧啶和嘌呤是制造核酸的原料，卟啉是制造各种细胞色素，包括血红素和叶绿素的原料。可见，通过三羧酸循环，生命活动所需的绝大多数关键物质都实现了相互转化。（为了避免过多的箭头交叉，这张图重复表示了许多种氨基酸。）（作者绘）
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至于作为固碳作用的逆三羧酸循环，原理也是一样的：它们在厌氧环境下迫使循环倒着转动，于是就会有二氧化碳和氢原子源源不断地被卷入，并通过逆三羧酸循环的各个分支，转化成细胞需要的一切有机物了。
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所以我们也可以设想，在40亿年前的某处，先是出现了一些各行其是的简单有机物，但出于热力学的必然，这些有机物更多地生成了那几种有机酸（比如丙酮酸、柠檬酸、α-酮戊二酸之类的），随着这些有机酸越聚越多，它们就通过彼此的转化循环了起来。而原始的地球缺乏氧气，有机物倾向于合成积累而不是氧化分解，循环也就更容易像图3—2那样逆向转动。如果这样的事情真的发生了，环境中的二氧化碳和氢就会不断汇入，变成种类丰富的有机物，比如糖、氨基酸、脂肪酸，也就为生命的诞生做好了物质的准备。再后来，细胞直接接手了这套反应，并且在进化中保留了下来，如今的三羧酸循环反而是好氧的生物把逆三羧酸循环倒转过来的创新改革了。
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那么，在生命出现之前的原始地球上，逆三羧酸循环究竟能不能转动起来呢？
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似乎有不小的希望。
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首先，那些有机酸要顺利地互相转化需要恰当的催化剂。在今天的细胞内部，这些催化剂都是千姿百态的酶，是蛋白质。但迄今为止的一系列研究也证实了在无机环境中，各种金属硫化物，甚至金属单质同样能催化三羧酸循环里的各种有机酸的相互转化反应VI。而在原始地球的海洋深处，那些热液喷口恰恰正是这些催化剂最丰富的地方，硫化亚铁、硫化镍、硫化锰、硫化锌、硫化钴、硫化钼……应有尽有，全是很强大的无机催化剂。
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另一方面，正向的三羧酸循环是能量代谢的末端，会释放能量，而逆三羧酸循环是物质代谢的起点，要被能量驱动。我们发现，在今天的细胞内，正向的三羧酸循环会产生一些高能的有机物，比如ATP和辅酶NADH，这是因为正向的循环在整体上是个释能的反应，在热力学上比较有利。
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如果要沿用之前凹坑与水的比喻，我们可以说那些坑一个比一个深，坑里的水面一个比一个高，那么只需简单的催化剂打通这些坑，如图2—13，整个反应就会从柠檬酸到α-酮戊二酸、琥珀酸、苹果酸……顺势流淌下去。只是到了最后一个水坑，草酰乙酸要再回到柠檬酸，就得有一份额外的能量把水汲上去，才能把这水流闭合成一个循环。于是你看，这步反应恰好伴随着乙酰辅酶A的水解，而这个水解反应会释放不少的能量，恰似一台提水机，所以只要糖酵解能不断提供乙酰辅酶A进来，三羧酸循环就会自然而然地运行下去了。
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反过来，绿硫菌要让三羧酸循环逆向旋转，就是要让水往高处流。所以如图3—2，它们必须把那些高能物质重新注入循环，尤其是要把柠檬酸重新转化成草酰乙酸和乙酰辅酶A，还得让“提水机”也倒着转，这就不得不再消耗一分子ATP了。
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稍具体一些地说，绿硫菌的细胞膜上有一种酷似叶绿素的菌绿素，也能把光能转化成化学能。这些化学能可以从硫化物上夺取电子，这些电子有一些被直接用来制造辅酶NADH，另一些则被投入化学渗透，把氢离子泵出细胞膜，然后驱动ATP合酶制造出ATP来。随后，这些NADH和ATP就可以驱动逆三羧酸循环了。这整个过程与植物是非常类似的，不同之处在于，植物会从水分子中夺取电子，因此会产生氧气，NADH和ATP驱动的也是卡尔文循环，而不是逆三羧酸循环。
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但奇怪的是，2005年，我们在东太平洋海隆水深2 500米的黑烟囱上发现了一群欣欣向荣的绿硫菌，暂时将其命名为“GSB1”，它们生活在绝对没有阳光的环境中，又该拿什么驱动光反应呢？研究结果非常令人震惊，它们依赖的仍然是深海热液释放的微量的红外线光子。这是因为，绿硫菌的光反应要比植物的光反应容易发生得多。要获得ATP和NADH，细胞的光反应必须从某种物质上夺走电子。对植物来说，它们的光反应是从水分子中夺取电子，稍有化学常识的人都能意识到，这是虎口夺食的事情，必然需要很高的能量。所以植物的叶绿素必须能从可见光中吸收能量，尤其是从蓝紫光中吸收能量。而绿硫菌的光反应却是从硫化物上夺取电子——这个“柿子”就非常软了，因为硫离子是还原性很强的离子，绿硫菌的菌绿素只需吸收最弱的红光，甚至根本看不见的红外线就能完成这个任务。经测算，GSB1的每分子“细菌叶绿素”，每天只需要接收不到10个光子就够用了[4]VII。
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那么，在细胞出现之前，逆三羧酸循环也能在原始环境中如此轻易地得到能量供应吗？
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坦率地说，目前的研究还不甚明了，但一些大胆的尝试却很有价值。
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2006年，哈佛大学的几个科学家模拟原始海洋的条件，设计了一次小规模的探索性实验，试着给胶态的硫化锌催化剂加上了光照，结果发现逆三羧酸循环的五个还原步骤中至少有三个可以用这种方法实现VIII。但在进一步的实验展开之前，我们还不敢说这意味着什么。另外一项更新的研究发生在2017年。法国斯特拉斯堡大学的研究团队发现，单质铁、+2价锌和+3价铬不需要光照，就能在酸性环境中催化逆三羧酸循环。或许，能量问题甚至不是三羧酸循环倒转的关键。
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图3—4 左侧是蓝细菌和叶绿体使用的叶绿素a，右侧是绿硫菌使用的菌绿素a，它们非常像，实际上，我们现在认为后者就是前者在进化上的祖先。（作者绘）
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不要忘了，三羧酸循环在需氧生物体内正向旋转并不只是因为反应本身的热力学性质，还因为循环产生的二氧化碳和辅酶NADH会随着能量消耗而被不断地移除。也就是说，我们的细胞会源源不断地从那些坑中“取水”，让所有的水坑都灌不满，更深的水坑才能有更低的水面，循环才得以持续。否则，循环产生的二氧化碳和辅酶NADH就会堆积起来，最终让所有坑里的水面互相齐平。结果就是循环彻底停滞，不但乙酰辅酶A这个入口灌不进水来，上游的糖分消耗不掉了，而且还会有许多有机酸从支流跑出去，转化成脂肪储存起来，这也是好吃懒做容易胖的更微观的原因。
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所以反过来，如果原始环境聚集了大量的二氧化碳和活跃的氢，情况就会变成四周不断地向坑中注水，当所有水坑都注满，坑里的水就会倒着从乙酰辅酶A那个入口，或者其他任何水位较低的开口流出去，还原成各种更复杂的有机物了。
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总之，在更加丰富的实验结果呈现出来之前，逆三羧酸循环作为生命起源的候选反应还充满了未知，但也给我们带来了很大的希望。即便它不是最初的固碳作用，它也仍然极有可能以某种完整或不完整的形式出现在生命诞生的前夕，为地质化学和生物化学的过渡奠定丰厚的物质和能量基础，我们今后还会遇到它。
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