大約40億年前，有一種叫做LUCA的微生物：最后的普遍共同祖先。有證據(jù)表明它可能過(guò)著某種“異化”的生活方式，隱藏在富含鐵硫的熱液噴口的深處。厭氧和自養(yǎng)，它不會(huì)呼吸空氣，并從周圍黑暗，富含金屬的環(huán)境中自己制作食物。它的新陳代謝依賴于氫，二氧化碳和氮，將它們轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物，如氨。最值得注意的是，這種微小的微生物是一個(gè)包含地球上所有生命的長(zhǎng)譜系的開(kāi)始。

如果我們追溯到生命之樹(shù)足夠遠(yuǎn)的時(shí)間，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)我們都與LUCA有關(guān)。如果我們探索火星的戰(zhàn)爭(zhēng)吶喊是“跟隨水”，那么在尋找LUCA時(shí)，它就是“跟隨基因”。生命遺傳樹(shù)的研究揭示了生物的遺傳關(guān)系和進(jìn)化歷史，被稱為系統(tǒng)發(fā)育學(xué)。在過(guò)去的20年里，我們對(duì)基因組進(jìn)行全面測(cè)序并建立龐大的遺傳文庫(kù)的技術(shù)能力使得系統(tǒng)發(fā)育學(xué)真正成熟，并教會(huì)了我們關(guān)于生命早期歷史的深刻教訓(xùn)。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，人們認(rèn)為生命之樹(shù)形成了三個(gè)主要的分支或域，其中LUCA位于基地 - 真核生物，細(xì)菌和古細(xì)菌。后兩者 - 原核生物 - 在單細(xì)胞和缺乏細(xì)胞核方面具有相似之處，并且通過(guò)微妙的化學(xué)和代謝差異彼此區(qū)分。另一方面，真核生物是由膜包裹的細(xì)胞組成的復(fù)雜的多細(xì)胞生命形式，每個(gè)細(xì)胞包含含有遺傳密碼的細(xì)胞核以及為細(xì)胞代謝提供動(dòng)力的線粒體“細(xì)胞器”。人們認(rèn)為真核生物與其他兩個(gè)分支根本不同，因?yàn)樗鼈儽厝徽紦?jù)著自己的領(lǐng)域。

然而，出現(xiàn)了一幅新的圖片，將真核生物作為細(xì)菌和古細(xì)菌的分支。 1984年，加州大學(xué)洛杉磯分校的進(jìn)化生物學(xué)家吉姆·萊克首次假設(shè)這種“雙域樹(shù)”，但在過(guò)去的十年里才得到了立足點(diǎn)，特別是由于進(jìn)化分子生物學(xué)家Martin Embley及其在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室所做的工作。 ，英國(guó)，以及德國(guó)杜塞爾多夫Heinrich Heine大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家William Martin。

Bill Martin和他的六位杜塞爾多夫同事（Madeline Weiss，F(xiàn)ilipa Sousa，Natalia Mrnjavac，Sinje Neukirchen，Mayo Roettger和Shijulal Nelson-Sathi）在Nature Nature Microbiology期刊上發(fā)表了2016年論文，描述了LUCA和雙域樹(shù)的這一新視角與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)。

古代基因

先前對(duì)LUCA的研究尋找在所有基因組中發(fā)現(xiàn)的常見(jiàn)通用基因，基于如果所有生命都具有這些基因的假設(shè)，則這些基因必須來(lái)自LUCA。這種方法已經(jīng)確定了大約30個(gè)屬于LUCA的基因，但它們還不足以告訴我們它是如何或在何處生活的。另一種策略涉及搜索存在于兩個(gè)原核生物結(jié)構(gòu)域，古細(xì)菌和細(xì)菌中的每一個(gè)的至少一個(gè)成員中的基因。這種方法已經(jīng)確定了11,000個(gè)可能屬于LUCA的共同基因，但它們都做得很好看：有了這么多基因，LUCA比任何現(xiàn)代細(xì)胞都能做得更多。

比爾·馬丁和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，一種被稱為側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）的現(xiàn)象通過(guò)對(duì)這11,000個(gè)基因中的大多數(shù)基因的存在負(fù)責(zé)而使水變得混亂。 LGT涉及通過(guò)多種過(guò)程在物種之間甚至跨域轉(zhuǎn)移基因，例如病毒的傳播或當(dāng)細(xì)胞置于某種壓力下時(shí)可能發(fā)生的同源重組。

不斷增長(zhǎng)的細(xì)菌或古細(xì)菌可以通過(guò)將新基因“重新組合”到其DNA鏈中來(lái)從周圍環(huán)境中獲取基因。這種新采用的DNA通常與已存在的DNA密切相關(guān)，但有時(shí)新的DNA可能來(lái)自更遠(yuǎn)的關(guān)系。在40億年的過(guò)程中，基因可以移動(dòng)很多，覆蓋了LUCA的大部分原始遺傳信號(hào)。在古細(xì)菌和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的基因可以通過(guò)LGT分享，因此不一定起源于LUCA。

知道了這一點(diǎn)，馬丁的團(tuán)隊(duì)在尋找“古老”的基因，這些基因具有特別長(zhǎng)的譜系但似乎并沒(méi)有被LGT所共享，因?yàn)榧僭O(shè)這些古老的基因應(yīng)該來(lái)自LUCA。他們?yōu)榛虮徽J(rèn)為起源于LUCA奠定了條件。為了切割，古老的基因不能被LGT移動(dòng)，它必須存在于至少兩組古菌和兩組細(xì)菌中。

“雖然我們正在查看數(shù)據(jù)，但我們有雞皮疙瘩，因?yàn)樗赶蛞粋€(gè)非常具體的方向，”馬丁說(shuō)。

一旦他們完成了他們的分析，比爾馬丁的團(tuán)隊(duì)只留下了原來(lái)的11,000個(gè)基因中的355個(gè)基因，他們認(rèn)為這些基本屬于LUCA，可以告訴我們LUCA如何生活。

當(dāng)然，如此少量的基因不會(huì)像我們所知的那樣支持生命，批評(píng)者立即抓住這種明顯的基因短缺，指出例如能夠進(jìn)行核苷酸和氨基酸生物合成的必需成分缺失。 “我們甚至沒(méi)有一個(gè)完整的核糖體，”馬丁承認(rèn)道。

然而，他們的方法要求他們省略所有經(jīng)歷過(guò)LGT的基因，因此經(jīng)過(guò)LGT的核糖體蛋白質(zhì)，它不會(huì)被列入LUCA的基因列表。他們還推測(cè)LUCA可以通過(guò)在環(huán)境中使用分子來(lái)填補(bǔ)缺乏基因的功能，例如可以合成氨基酸的分子。畢竟，馬丁說(shuō)，在生命進(jìn)化的早期階段，生物化學(xué)仍然是原始的，所有關(guān)于生命起源和第一個(gè)細(xì)胞的理論都將環(huán)境中的化學(xué)合成納入其中。

這355個(gè)基因告訴我們的是LUCA生活在熱液噴口中。杜塞爾多夫團(tuán)隊(duì)的分析表明，LUCA使用分子氫作為能源。熱液噴口內(nèi)的蛇紋石化可產(chǎn)生大量的分子氫。此外，LUCA含有一種基因，用于制造一種叫做“反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)酶”的酶，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)存在于包括熱液噴口在內(nèi)的高溫環(huán)境中的極端微生物。

雙域樹(shù)

專注于真核生物進(jìn)化研究的Martin Embley表示，過(guò)去十年中雙域樹(shù)的實(shí)現(xiàn)，包括威廉·馬丁推動(dòng)該理論的工作，已經(jīng)是一個(gè)“突破”，對(duì)我們?nèi)绾慰创哂猩钸h(yuǎn)的影響。早期生活的演變。 “生命的雙域生命樹(shù)，其中基底分裂在古細(xì)菌和細(xì)菌之間，現(xiàn)在是最好的支持假設(shè)，”他說(shuō)。

人們普遍認(rèn)為，第一個(gè)古細(xì)菌和細(xì)菌可能是梭菌（厭氧菌不耐氧）和產(chǎn)甲烷菌，因?yàn)榻裉斓默F(xiàn)代版本與LUCA具有許多相同的特性。這些性質(zhì)包括類似的核心生理學(xué)和對(duì)氫，二氧化碳，氮和過(guò)渡金屬的依賴性（這些金屬通過(guò)將未填充的電子殼與碳和氮雜化而提供催化作用）。然而，一個(gè)主要問(wèn)題仍然存在：第一個(gè)真核生物是什么樣的，它們?cè)谀睦镞m合生命之樹(shù)？

系統(tǒng)發(fā)育學(xué)表明，真核生物通過(guò)內(nèi)共生過(guò)程進(jìn)化而來(lái)，其中古菌宿主與共生體合并，在這種情況下是屬于α蛋白細(xì)菌群的細(xì)菌。在產(chǎn)生真核生物發(fā)育的特殊共生中，細(xì)菌以某種方式在它們的古菌宿主中茁壯成長(zhǎng)而不是被摧毀。因此，細(xì)菌不僅存在于古細(xì)菌中，而且還使它們的宿主變得更大并且含有越來(lái)越多的DNA。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的進(jìn)化，共生細(xì)菌逐漸演變成我們今天所知的線粒體，線粒體是一種小電池狀細(xì)胞器，可為更復(fù)雜的真核細(xì)胞提供能量。因此，真核生物不是生命樹(shù)的主要分支之一，而只是一個(gè)大的分支。

最近出現(xiàn)在自然界的一篇論文由瑞典烏普薩拉大學(xué)的Thijs Ettema領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)撰寫，它更多地闡明了真核生物的進(jìn)化。在位于北大西洋的熱液噴口 - 以格陵蘭島，冰島和挪威為中心，統(tǒng)稱為L(zhǎng)oki's Castle-他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的古生物門，他們恰當(dāng)?shù)孛麨楸睔W神靈領(lǐng)域之后的“Asgard”超級(jí)門。超級(jí)門內(nèi)的個(gè)體微生物物種以北歐神靈命名：Lokiarchaeota，Thorarchaeota，Odinarchaeota和Heimdallarchaeota。這個(gè)超級(jí)門代表了與真核生物最親近的親戚，而Ettema的假設(shè)是真核生物從大約20億年前從這些古生物中的一個(gè)進(jìn)化而來(lái)，或者是當(dāng)前未被發(fā)現(xiàn)的兄弟。

關(guān)閉LUCA

如果能夠確定真核生物的出現(xiàn)，甚至可以確定它們從它們進(jìn)化而來(lái)的古細(xì)菌和細(xì)菌的種類，那么系統(tǒng)發(fā)育學(xué)也可以追溯到LUCA的開(kāi)始并將它分成兩個(gè)領(lǐng)域嗎？

必須指出的是，LUCA不是生命的起源。最早的生命證據(jù)可以追溯到37億年前的疊層石，這是由微生物沉積的沉積層。據(jù)推測(cè)，生命甚至可能在此之前就已存在。然而，LUCA的到來(lái)以及它在古生物和細(xì)菌中的演變可能發(fā)生在20到40億年前的任何時(shí)候。

系統(tǒng)發(fā)育學(xué)有助于縮小范圍，但Martin Embley并不確定我們的分析工具是否能夠?qū)崿F(xiàn)這一壯舉。 “系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的問(wèn)題在于，通常用于進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析的工具并不是非常復(fù)雜，足以應(yīng)對(duì)分子進(jìn)化在如此巨大的進(jìn)化時(shí)間跨度上的復(fù)雜性，”他說(shuō)。

Embley認(rèn)為這就是為什么三域樹(shù)假設(shè)持續(xù)了這么久 - 我們只是沒(méi)有必要的工具來(lái)反駁它。然而，雙域樹(shù)的實(shí)現(xiàn)表明，現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)更好的技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

這些技術(shù)包括檢查生物化學(xué)的方式，如在實(shí)驗(yàn)室中的生命起源實(shí)驗(yàn)中所執(zhí)行的，可以與生物學(xué)中實(shí)際發(fā)生的事實(shí)相符。

對(duì)于英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的進(jìn)化生物化學(xué)家Nick Lane來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。 “我認(rèn)為從等式中遺漏的是一種生物學(xué)觀點(diǎn)，”他說(shuō)。 “制造有機(jī)[化合物]似乎很容易，但要讓它們自發(fā)地自組織起來(lái)要困難得多，因此從化學(xué)家的角度來(lái)看，結(jié)構(gòu)問(wèn)題基本上已經(jīng)缺失了。”

例如，Lane強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)如何通過(guò)氰化物等化學(xué)品常規(guī)構(gòu)建生命的構(gòu)建塊，或紫外線如何用作特殊能源，但沒(méi)有已知的生命使用這些東西。雖然萊恩認(rèn)為這是實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)與生物學(xué)現(xiàn)實(shí)之間的脫節(jié)，但他指出，威廉（比爾）馬丁的工作正在通過(guò)對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)世界生物學(xué)和現(xiàn)實(shí)生活熱液噴口中的條件來(lái)填補(bǔ)空白。 “這就是為什么比爾重建LUCA是如此令人興奮，因?yàn)樗a(chǎn)生了與現(xiàn)實(shí)世界生物學(xué)這種美麗，獨(dú)立的聯(lián)系，”萊恩說(shuō)。

Martin Embley表示，生物化學(xué)部分來(lái)自地質(zhì)學(xué)和其中可用于建立生命的材料。他認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)育學(xué)是找到答案的正確工具，引用Wood-Ljungdahl碳固定途徑作為證據(jù)。

固碳包括將非有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為生命可以使用的有機(jī)碳化合物。弗萊堡大學(xué)的微生物學(xué)家Georg Fuchs已經(jīng)有六種已知的固碳途徑和工作進(jìn)行了數(shù)十年的研究表明，Wood-Ljungdahl途徑是所有途徑中最古老的途徑，因此也是最有可能的途徑。 LUCA使用。事實(shí)上，Bill Martin團(tuán)隊(duì)的調(diào)查結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由細(xì)菌和古細(xì)菌采用的Wood-Ljundahl途徑始于氫氣和二氧化碳，并且后者被視為生命可以使用的一氧化碳和甲酸。 “Wood-Ljungdahl路徑指向堿性熱液環(huán)境，它提供了所需的所有物質(zhì) - 結(jié)構(gòu)，天然質(zhì)子梯度，氫氣和二氧化碳，”Martin說(shuō)。 “它正在將地質(zhì)背景與生物學(xué)場(chǎng)景相結(jié)合，而且最近才發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育學(xué)能夠支持這一點(diǎn)。”

天體生物學(xué)的影響

了解生命的起源和LUCA的身份不僅對(duì)于解釋地球上的生命存在至關(guān)重要，而且也可能解釋其他世界的存在。 LUCA所在的熱液噴口在我們的太陽(yáng)系中非常普遍。所需要的只是巖石，水和地球化學(xué)熱。 “我認(rèn)為，如果我們?cè)谄渌胤秸业缴睿鼘?huì)看起來(lái)，至少在化學(xué)上，非常像現(xiàn)代生活，”馬丁說(shuō)。

擁有巨大的全球海洋環(huán)繞的巖石核心的衛(wèi)星，頂部是厚厚的水冰覆蓋，外太陽(yáng)系。木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二可能是最有名的，但有證據(jù)表明，暗示在土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六和土衛(wèi)五的地下海洋，以及矮行星冥王星和許多其他太陽(yáng)系天體。不難想象這些地下海的地板上的熱液噴口，其能量來(lái)自與其母行星的引力潮汐相互作用。太陽(yáng)沒(méi)有穿透冰面的事實(shí)并不重要 - 馬丁描述的那種LUCA也不需要陽(yáng)光。

“在我們的LUCA論文的天體生物學(xué)意義中，你不需要光，”馬丁說(shuō)。 “這是生命起源的化學(xué)能，運(yùn)行第一個(gè)細(xì)胞的化學(xué)能和今天存在于土衛(wèi)二等身上的化學(xué)能?！?/p>

因此，正在開(kāi)發(fā)我們生命起源和LUCA存在的圖片的發(fā)現(xiàn)提出了希望生活可以在諸如歐羅巴或土衛(wèi)二等遙遠(yuǎn)地區(qū)的幾乎相同的環(huán)境中輕易存在?，F(xiàn)在我們知道了LUCA的生活方式，我們知道在未來(lái)的這些冰冷的衛(wèi)星任務(wù)中需要注意的生命跡象。