從看不見的單細(xì)胞細(xì)菌，到壽命極長的紅杉，再到碩大無比的藍(lán)鯨，還有我們?nèi)祟悾?/span>所有生物身上其實存在著驚人的相似性。比如所有細(xì)胞生物都使用相同的氨基酸來構(gòu)建蛋白質(zhì)，一種名為ATP的分子是在所有生物中都通用的能量“貨幣”，生物體內(nèi)都存在核糖體和其他一些與制造蛋白質(zhì)有關(guān)的細(xì)胞機(jī)器，以及所有細(xì)胞生命都使用DNA作為存儲信息的工具……
所有這些相似之處讓科學(xué)家猜想，一切細(xì)胞生命都能追溯到數(shù)十億年前的一個共同祖先。1999年，生物學(xué)家帕特里克·福泰爾（Patrick Forterre）首次用“LUCA”（Last Universal Common Ancestor）來稱呼一切生命“最后的共同祖先”。這種假想的共同祖先代表了生命之樹的根部，后來分化成了如今的細(xì)菌、古菌和真核生物。
所有現(xiàn)存生命或許源自一個共同祖先。（圖/Chiswick Chap，Wikimedia Commons）
為了更深入地了解LUCA存在的時間以及它的生物學(xué)特性，科學(xué)家進(jìn)行了大量研究。近日，一項研究從更廣泛的角度出發(fā)，得出了一些令人驚訝的結(jié)果。
這項于近日發(fā)表在《自然·生態(tài)學(xué)與進(jìn)化》上的研究表明，地球上所有生命的起源生物可能比人們想象的要早得多。LUCA出現(xiàn)的時間大約在42億年前。也就是說，僅僅在地球形成幾億年后，就已經(jīng)進(jìn)化出生命了。此外，研究人員還指出，LUCA也可能比先前認(rèn)為的要復(fù)雜得多。
神秘的共同祖先
理論上來說，今天在所有主要生命分支中都能找到的基因，很有可能是從LUCA開始一脈相傳的。通過反推，或許就能知道遠(yuǎn)古祖先擁有哪些基因。觀察這些基因隨著時間的推移發(fā)生了怎樣的變化，就有可能推算出 LUCA存在的時間。
然而，在實踐中，這比聽上去要棘手得多。這是因為，隨著時間的推移，基因會丟失也會獲得，此外，不同生物分支之間還會產(chǎn)生交換。這些都會讓基因分析變得復(fù)雜。
在新的研究中，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了一個精密的、將這些因素都納入考量的模型。他們對大量物種基因組的基因進(jìn)行了比較，計算了隨著時間的推移序列中發(fā)生的變異。他們通過模擬物種的生理特征，研究了LUCA的生物學(xué)特性，并通過生命譜系追溯到了LUCA。
LUCA的重建結(jié)果。（圖/Moody et al，Nature Ecology & Evolution）
研究人員估計，LUCA是一種復(fù)雜的生物，與現(xiàn)代原核生物其實沒有太大區(qū)別。它具有一個至少包含250萬堿基對的基因組，編碼2600種蛋白質(zhì)，這比之前的估計要復(fù)雜得多。
更有趣的是，LUCA很有可能擁有19個CRISPR-Cas9基因，換句話說，它已經(jīng)有了一種原始版本的免疫系統(tǒng)，可以抵御病毒。這表明，在生命之初，我們的祖先就已經(jīng)在與病毒進(jìn)行軍備競賽了。
重建結(jié)果還顯示，LUCA應(yīng)該以氫為食，這與之前的研究結(jié)果一致。此外，它還具有抵御紫外線傷害的基因，因此很有可能生活在海洋表面，在那里從大氣中捕捉氫。不過，研究還發(fā)現(xiàn)了一種叫作逆旋轉(zhuǎn)酶的特征，這種酶通常存在于嗜熱菌中。這意味著，LUCA也有可能在這些深海熱液噴口附近繁衍生息。
無論如何，LUCA很有可能利用并改變著它所處的環(huán)境。團(tuán)隊推測，LUCA很可能并不是獨(dú)立存在的，而是最古老的生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，還有其他種類的原始細(xì)胞和它共同生存，但這些原始細(xì)胞可能已經(jīng)滅絕了。比如，LUCA的廢棄物可能會成為其他微生物（比如產(chǎn)甲烷菌）的食物，這些微生物會幫助建立一個循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)。
很多科學(xué)家對此表示認(rèn)同。嚴(yán)格來說，LUCA也許并不是生命故事真正的開端，而只是我們可以利用基因組數(shù)據(jù)倒推出的最后一個共同祖先狀態(tài)。
比之前認(rèn)為的更古老？
另一個關(guān)鍵的問題是LUCA生存的時間。先前的研究認(rèn)為，它只可能存在于晚期重轟擊之后，那時地球應(yīng)該受到了太空碎片的猛烈撞擊，可能會毀滅任何新興生命。根據(jù)對月巖的測定，這一時期的時間被確定在約38億年前。但這個數(shù)字還存在很多不確定性。
但團(tuán)隊所改進(jìn)的遺傳學(xué)方法得出結(jié)論，LUCA應(yīng)該生活在約42億年前（40.9億至43.3億年前間），這比其他生命起源的估計要早得多——這個時間點(diǎn)已經(jīng)非常接近46億年前太陽系和地球形成的時間，兩者僅僅相距約4億年。這或許說明，生命進(jìn)化可能比人們過去認(rèn)為的要簡單。
但對于這個時間，福泰爾提出了異議。他認(rèn)為LUCA在晚期重轟擊之前就已經(jīng)存在的說法完全不現(xiàn)實。
這項研究的結(jié)果僅僅是個開始。它匯集了多個學(xué)科的數(shù)據(jù)和方法，揭示了早期地球和生命的奧秘。這也告訴我們，在宇宙的其他地方，類似地球的生物圈或許也有生命在繁衍生息。
參考來源：
https://www.bristol.ac.uk/news/2024/july/luca.html
https://www.newscientist.com/article/2439385-last-common-ancestor-of-all-life-emerged-far-earlier-than-thought/
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02461-1
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02474-w
https://www.science.org/content/article/our-last-common-ancestor-lived-4-2-billion-years-ago-perhaps-hundreds-millions-years
