圖蟲(chóng)創(chuàng)意
“生命究竟從何而來(lái)?”是我們?nèi)祟?lèi)懂得思考以來(lái)提出的終極問(wèn)題之一,目前為止,我們并沒(méi)有能力很好地解答這個(gè)問(wèn)題。但是我們發(fā)現(xiàn)回答這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵,從單細(xì)胞細(xì)菌,到壽命極長(zhǎng)的紅杉,再到碩大的藍(lán)鯨,甚至包括我們?nèi)祟?lèi),所有生物體其實(shí)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(gè)著名的理念——那就是“萬(wàn)物同源”,也就是說(shuō)所有曾經(jīng)在地球上生存過(guò)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(shù)的根部,后來(lái)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(wú)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(xiàng)新研究讓科學(xué)家們?cè)谶@條道路上又前進(jìn)了一步。他們發(fā)現(xiàn)“盧卡”出現(xiàn)的時(shí)間要比以往估計(jì)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(lái)尋找它們的共同點(diǎn),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(gè)體基因和基因家族的進(jìn)化模式,通過(guò)比較個(gè)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(gè)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(shí)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(shuō)在地球形成不久,最早的生命形式就出現(xiàn)了。這說(shuō)明生命起源的環(huán)境可能要比之前認(rèn)為的更簡(jiǎn)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(wàn)堿基對(duì),編碼2600種蛋白質(zhì)。這比之前的估計(jì)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(méi)有進(jìn)化出光合作用器官的時(shí)代,氫就相當(dāng)于“化學(xué)陽(yáng)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(gè)簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng),而且盧卡并不是當(dāng)時(shí)唯一的生命形式,只是其他生命體已經(jīng)滅絕,并沒(méi)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(shuō)明生命自誕生不久就可能具有與病毒斗爭(zhēng)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(xiàn)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(lái)供養(yǎng)自己。另一方面,它們體內(nèi)同時(shí)也存在著一種常見(jiàn)于嗜熱菌的酶——反向旋轉(zhuǎn)酶,意味著盧卡也可能會(huì)在海底火山口周?chē)毖苌ⅰ?/p>
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(jiàn)。還有的科學(xué)家認(rèn)為,由于引力的作用,在38億年之前會(huì)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(gè)時(shí)期被稱(chēng)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(wú)法出現(xiàn)。
由于我們無(wú)法穿越時(shí)間回到生命從無(wú)到有的年代親眼目睹當(dāng)時(shí)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(wú)法在漫長(zhǎng)的地質(zhì)活動(dòng)中形成化石,留下確鑿的證據(jù),我們只能通過(guò)現(xiàn)有的生物和技術(shù)手段去作出盡量貼近真相的推測(cè)。本次的研究結(jié)果也僅僅是個(gè)開(kāi)始。雖然它匯集了多個(gè)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(gè)巨大拼圖的一小塊。在探究“生命究竟從何而來(lái)”這個(gè)人類(lèi)終極問(wèn)題的道路上,我們還任重而道遠(yuǎn)。
本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)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(guó)科協(xié)科普部
監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司