生命起源新發(fā)現(xiàn)：共同祖先“盧卡”遠(yuǎn)比我們想象復(fù)雜！

圖蟲創(chuàng)意

“生命究竟從何而來？”是我們?nèi)祟惗盟伎家詠硖岢龅慕K極問題之一，目前為止，我們并沒有能力很好地解答這個問題。但是我們發(fā)現(xiàn)回答這個問題的一個關(guān)鍵，從單細(xì)胞細(xì)菌，到壽命極長的紅杉，再到碩大的藍(lán)鯨，甚至包括我們?nèi)祟悾猩矬w其實存在著驚人的相似性。于是，達(dá)爾文在其1859年出版的著作《物種起源》中就提出了一個著名的理念——那就是“萬物同源”，也就是說所有曾經(jīng)在地球上生存過的生物都有共同的祖先。

1999年，生物學(xué)家帕特里克·福泰爾首次將“最后共同祖先”這些單詞的首字母組合在一起給這種假想的祖先生物命名為“盧卡（LUCA）”。盧卡作為生命之樹的根部，后來分化成了包括細(xì)菌、古菌和真核生物在內(nèi)的生命體系。此后，無數(shù)科學(xué)家踏上了尋找盧卡“真身”的道路。

2024年7月12日，發(fā)表在《自然-生態(tài)與進(jìn)化》雜志上的一項新研究讓科學(xué)家們在這條道路上又前進(jìn)了一步。他們發(fā)現(xiàn)“盧卡”出現(xiàn)的時間要比以往估計的更早，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。

該研究小組的成員比較了350組古菌和350組細(xì)菌的基因組，來尋找它們的共同點，以確定哪些特征是最先出現(xiàn)的。他們分別追蹤了這些古菌和細(xì)菌的個體基因和基因家族的進(jìn)化模式，通過比較個體基因與物種基因的進(jìn)化史，更好地探究哪些基因被復(fù)制、丟失或經(jīng)歷了水平基因轉(zhuǎn)移。

根據(jù)上述方法，研究小組得出了幾個關(guān)于生命起源的重要推斷。

首先，生命共同的祖先“盧卡”的出現(xiàn)時間約為42億年前，這比之前認(rèn)為的38億年要早得多。我們知道，地球大約形成于46億年前，也就是說在地球形成不久，最早的生命形式就出現(xiàn)了。這說明生命起源的環(huán)境可能要比之前認(rèn)為的更簡單。

其次，“盧卡”擁有相當(dāng)龐大的基因組。大到什么程度呢？研究表明“盧卡”的基因組至少包含250萬堿基對，編碼2600種蛋白質(zhì)。這比之前的估計要復(fù)雜得多，幾乎與現(xiàn)存原核生物的復(fù)雜程度相同。

那么在早期地球上，盧卡是如何生存的呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，盧卡以氫和二氧化碳為食。在沒有進(jìn)化出光合作用器官的時代，氫就相當(dāng)于“化學(xué)陽光”，為盧卡自身的新陳代謝提供了源源不絕的能量，而它新陳代謝產(chǎn)物(例如甲烷)則可以成為其他生命的養(yǎng)料。所以科學(xué)家認(rèn)為這種化學(xué)的氫循環(huán)系統(tǒng)可以支持一個簡單的生態(tài)系統(tǒng)，而且盧卡并不是當(dāng)時唯一的生命形式，只是其他生命體已經(jīng)滅絕，并沒有能夠留下后代。

研究還表明，盧卡的身體里存在著一種抵御病毒侵襲的基因，說明生命自誕生不久就可能具有與病毒斗爭的能力或潛力。

在盧卡的身體里科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了能夠保護(hù)其免受紫外線傷害的基因，這就表明盧卡可能并非生活在深海的熱泉噴口中，而是可能生活在地表水中，它們可以從大氣中捕獲二氧化碳和氫氣來供養(yǎng)自己。另一方面，它們體內(nèi)同時也存在著一種常見于嗜熱菌的酶——反向旋轉(zhuǎn)酶，意味著盧卡也可能會在海底火山口周圍繁衍生息。

像這樣看上去矛盾的研究結(jié)果在早期生命起源的探索中并不罕見。還有的科學(xué)家認(rèn)為，由于引力的作用，在38億年之前會發(fā)生周邊大量的小行星、隕石轟擊地球表面的現(xiàn)象，因而這個時期被稱為“重轟期”。在劇烈而頻繁的撞擊之下，地球表面不可能存在液態(tài)水，所以早期生命也無法出現(xiàn)。

由于我們無法穿越時間回到生命從無到有的年代親眼目睹當(dāng)時的情景，這樣相悖的研究結(jié)論不難理解。而且，像盧卡這種僅具微小結(jié)構(gòu)的生命也無法在漫長的地質(zhì)活動中形成化石，留下確鑿的證據(jù)，我們只能通過現(xiàn)有的生物和技術(shù)手段去作出盡量貼近真相的推測。本次的研究結(jié)果也僅僅是個開始。雖然它匯集了多個學(xué)科的數(shù)據(jù)和方法，但也好像只讓我們拿到了生命起源這個巨大拼圖的一小塊。在探究“生命究竟從何而來”這個人類終極問題的道路上，我們還任重而道遠(yuǎn)。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：劉森

審核：梁前進(jìn) 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

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