生命起源新发现：共同祖先“卢卡”远比我们想象复杂！

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“生命究竟从何而来？”是我们人类懂得思考以来提出的终极问题之一，目前为止，我们并没有能力很好地解答这个问题。但是我们发现回答这个问题的一个关键，从单细胞细菌，到寿命极长的红杉，再到硕大的蓝鲸，甚至包括我们人类，所有生物体其实存在着惊人的相似性。于是，达尔文在其1859年出版的著作《物种起源》中就提出了一个著名的理念——那就是“万物同源”，也就是说所有曾经在地球上生存过的生物都有共同的祖先。

1999年，生物学家帕特里克·福泰尔首次将“最后共同祖先”这些单词的首字母组合在一起给这种假想的祖先生物命名为“卢卡（LUCA）”。卢卡作为生命之树的根部，后来分化成了包括细菌、古菌和真核生物在内的生命体系。此后，无数科学家踏上了寻找卢卡“真身”的道路。

2024年7月12日，发表在《自然-生态与进化》杂志上的一项新研究让科学家们在这条道路上又前进了一步。他们发现“卢卡”出现的时间要比以往估计的更早，结构也更复杂。

该研究小组的成员比较了350组古菌和350组细菌的基因组，来寻找它们的共同点，以确定哪些特征是最先出现的。他们分别追踪了这些古菌和细菌的个体基因和基因家族的进化模式，通过比较个体基因与物种基因的进化史，更好地探究哪些基因被复制、丢失或经历了水平基因转移。

根据上述方法，研究小组得出了几个关于生命起源的重要推断。

首先，生命共同的祖先“卢卡”的出现时间约为42亿年前，这比之前认为的38亿年要早得多。我们知道，地球大约形成于46亿年前，也就是说在地球形成不久，最早的生命形式就出现了。这说明生命起源的环境可能要比之前认为的更简单。

其次，“卢卡”拥有相当庞大的基因组。大到什么程度呢？研究表明“卢卡”的基因组至少包含250万碱基对，编码2600种蛋白质。这比之前的估计要复杂得多，几乎与现存原核生物的复杂程度相同。

那么在早期地球上，卢卡是如何生存的呢？科学家发现，卢卡以氢和二氧化碳为食。在没有进化出光合作用器官的时代，氢就相当于“化学阳光”，为卢卡自身的新陈代谢提供了源源不绝的能量，而它新陈代谢产物(例如甲烷)则可以成为其他生命的养料。所以科学家认为这种化学的氢循环系统可以支持一个简单的生态系统，而且卢卡并不是当时唯一的生命形式，只是其他生命体已经灭绝，并没有能够留下后代。

研究还表明，卢卡的身体里存在着一种抵御病毒侵袭的基因，说明生命自诞生不久就可能具有与病毒斗争的能力或潜力。

在卢卡的身体里科学家还发现了能够保护其免受紫外线伤害的基因，这就表明卢卡可能并非生活在深海的热泉喷口中，而是可能生活在地表水中，它们可以从大气中捕获二氧化碳和氢气来供养自己。另一方面，它们体内同时也存在着一种常见于嗜热菌的酶——反向旋转酶，意味着卢卡也可能会在海底火山口周围繁衍生息。

像这样看上去矛盾的研究结果在早期生命起源的探索中并不罕见。还有的科学家认为，由于引力的作用，在38亿年之前会发生周边大量的小行星、陨石轰击地球表面的现象，因而这个时期被称为“重轰期”。在剧烈而频繁的撞击之下，地球表面不可能存在液态水，所以早期生命也无法出现。

由于我们无法穿越时间回到生命从无到有的年代亲眼目睹当时的情景，这样相悖的研究结论不难理解。而且，像卢卡这种仅具微小结构的生命也无法在漫长的地质活动中形成化石，留下确凿的证据，我们只能通过现有的生物和技术手段去作出尽量贴近真相的推测。本次的研究结果也仅仅是个开始。虽然它汇集了多个学科的数据和方法，但也好像只让我们拿到了生命起源这个巨大拼图的一小块。在探究“生命究竟从何而来”这个人类终极问题的道路上，我们还任重而道远。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：刘森

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司