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地球形成不久后,生命就已经出现了?
来源:中科院物理所 | 作者:Takeko | 2024/8/19 11:42:41 | 浏览:298 | 评论:0

从看不见的单细胞细菌,到寿命极长的红杉,再到硕大无比的蓝鲸,还有我们人类,所有生物身上其实存在着惊人的相似性。比如所有细胞生物都使用相同的氨基酸来构建蛋白质,一种名为ATP的分子是在所有生物中都通用的能量“货币”,生物体内都存在核糖体和其他一些与制造蛋白质有关的细胞机器,以及所有细胞生命都使用DNA作为存储信息的工具……


所有这些相似之处让科学家猜想,一切细胞生命都能追溯到数十亿年前的一个共同祖先。1999年,生物学家帕特里克·福泰尔(Patrick Forterre)首次用“LUCA”(Last Universal Common Ancestor)来称呼一切生命“最后的共同祖先”。这种假想的共同祖先代表了生命之树的根部,后来分化成了如今的细菌、古菌和真核生物。


地球形成不久后,生命就已经出现了?
所有现存生命或许源自一个共同祖先。(图/Chiswick Chap,Wikimedia Commons)


为了更深入地了解LUCA存在的时间以及它的生物学特性,科学家进行了大量研究。近日,一项研究从更广泛的角度出发,得出了一些令人惊讶的结果。


这项于近日发表在《自然·生态学与进化》上的研究表明,地球上所有生命的起源生物可能比人们想象的要早得多。LUCA出现的时间大约在42亿年前。也就是说,仅仅在地球形成几亿年后,就已经进化出生命了。此外,研究人员还指出,LUCA也可能比先前认为的要复杂得多。



  神秘的共同祖先 


理论上来说,今天在所有主要生命分支中都能找到的基因,很有可能是从LUCA开始一脉相传的。通过反推,或许就能知道远古祖先拥有哪些基因。观察这些基因随着时间的推移发生了怎样的变化,就有可能推算出 LUCA存在的时间。


然而,在实践中,这比听上去要棘手得多。这是因为,随着时间的推移,基因会丢失也会获得,此外,不同生物分支之间还会产生交换。这些都会让基因分析变得复杂。


在新的研究中,研究团队创建了一个精密的、将这些因素都纳入考量的模型。他们对大量物种基因组的基因进行了比较,计算了随着时间的推移序列中发生的变异。他们通过模拟物种的生理特征,研究了LUCA的生物学特性,并通过生命谱系追溯到了LUCA。


地球形成不久后,生命就已经出现了?
LUCA的重建结果。(图/Moody et al,Nature Ecology & Evolution)


研究人员估计,LUCA是一种复杂的生物,与现代原核生物其实没有太大区别。它具有一个至少包含250万碱基对的基因组,编码2600种蛋白质,这比之前的估计要复杂得多。


更有趣的是,LUCA很有可能拥有19个CRISPR-Cas9基因,换句话说,它已经有了一种原始版本的免疫系统,可以抵御病毒。这表明,在生命之初,我们的祖先就已经在与病毒进行军备竞赛了。


重建结果还显示,LUCA应该以氢为食,这与之前的研究结果一致。此外,它还具有抵御紫外线伤害的基因,因此很有可能生活在海洋表面,在那里从大气中捕捉氢。不过,研究还发现了一种叫作逆旋转酶的特征,这种酶通常存在于嗜热菌中。这意味着,LUCA也有可能在这些深海热液喷口附近繁衍生息。


无论如何,LUCA很有可能利用并改变着它所处的环境。团队推测,LUCA很可能并不是独立存在的,而是最古老的生态系统中的一部分,还有其他种类的原始细胞和它共同生存,但这些原始细胞可能已经灭绝了。比如,LUCA的废弃物可能会成为其他微生物(比如产甲烷菌)的食物,这些微生物会帮助建立一个循环生态系统。


很多科学家对此表示认同。严格来说,LUCA也许并不是生命故事真正的开端,而只是我们可以利用基因组数据倒推出的最后一个共同祖先状态。



  比之前认为的更古老?


另一个关键的问题是LUCA生存的时间。先前的研究认为,它只可能存在于晚期重轰击之后,那时地球应该受到了太空碎片的猛烈撞击,可能会毁灭任何新兴生命。根据对月岩的测定,这一时期的时间被确定在约38亿年前。但这个数字还存在很多不确定性。


但团队所改进的遗传学方法得出结论,LUCA应该生活在约42亿年前(40.9亿至43.3亿年前间),这比其他生命起源的估计要早得多——这个时间点已经非常接近46亿年前太阳系和地球形成的时间,两者仅仅相距约4亿年。这或许说明,生命进化可能比人们过去认为的要简单。


但对于这个时间,福泰尔提出了异议。他认为LUCA在晚期重轰击之前就已经存在的说法完全不现实。


这项研究的结果仅仅是个开始。它汇集了多个学科的数据和方法,揭示了早期地球和生命的奥秘。这也告诉我们,在宇宙的其他地方,类似地球的生物圈或许也有生命在繁衍生息。

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


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