我们不知道答案的科学问题(101)生命的始祖
我们不知道答案的科学问题(101)生命的始祖
LUCA，即最后的普遍共同祖先，是地球上所有生命的起点。关于这个神秘的生命形式，科学家们进行了长期的研究和探讨。本文将带你走进LUCA的世界，探索这个生命之树的根部究竟隐藏着怎样的秘密。
LUCA的定义与重要性
LUCA（Last Universal Common Ancestor）是地球上所有细胞的最后一个普遍共同祖先的概念，它是研究早期生命进化和起源的核心。尽管LUCA的存在是基于现有生物细胞所表现的生物数据的一个科学推测，但地球上现存的所有生物细胞具有通用的遗传密码和蛋白质合成机制，几乎通用的20种氨基酸都具有相同的手性，以及所有生物都使用ATP作为能量代谢和转移单元等一致的生物学特征，这些都可以证明，现存的所有细胞都应该来自一个共同的祖先：祖细胞（LUCA）。
图1 祖细胞LUCA的想象图
LUCA的性质与特征
LUCA的性质、年龄及其对地球系统的影响一直是不同学科之间激烈辩论的主题。科学家们经过多年对微生物特征的研究后认为：最后的普遍共同祖先比人类想象的要复杂，但大体可以识别为是一个细胞。进一步的研究揭示LUCA之所以能在初级生物进化中胜出是因为祖细胞首先具有了一种能力，即在细胞分裂过程中具有有效分离两个子准DNA链的能力。
通过对LUCA基因的研究，科学家们发现至少有100个基因肯定存在于LUCA中，而通过对原核生物基因组中610万个蛋白质编码基因的所有集群和系统发育树的研究，基本确定了大概有355个普遍存在的蛋白质家族可追溯到LUCA的细胞中。根据这些蛋白质的功能、性质和分子基团不仅能确定其年龄，而且可以进一步确定LUCA的基本代谢模式。
图2 组细胞产生和分化的生命树
LUCA的年龄
对LUCA年龄的估计通常基于化石记录，但研究人员根据数据积累和方法改进每次重新对化石数据的解释都会有所不同。通过对LUCA基因重复序列分散过程的时间分析，结合微生物化石和同位素记录在新的交叉支撑校准下的分析，大多数科学家认为LUCA大约出现在35亿到38亿年前。而有的科学家推断LUCA大约生活在42亿年(41-43亿年)，如图3所示(Nat. Ecol. Evol. 2024)。根据更准确的地球寿命45.7亿年计算，有的研究推断LUCA应该大约在38亿年前出现，而在此之后产生了两种简单的细胞：细菌和古细菌。
图3 在贝叶斯节点测年方法推断的生物进化时间表。紫色星星表示用化石数据校准过的节点。
LUCA的新陈代谢
对LUCA新陈代谢途径和性质同样存在争议。一些人将现在生物界存在的所有核心代谢过程都归因于LUCA，而另一些人则根据地球化学环境重建了一种更简单的生命形式。通过分析现在生物细胞中普遍或关键的代谢途径，可以对LUCA的代谢给出科学的推测。
关于LUCA的代谢起源存在着两个主要的理论：(1)自养假说：该理论认为LUCA是一种自给自足的生物，可以从二氧化碳、硫化氢等无机物中获得碳和能量；(2)异养假说：该理论认为LUCA依靠液态环境中的有机化合物提供营养，它只是从周围环境(原生汤)中吸收可以利用的有机物质来维持基本的生命活动。
图4 祖细胞的假想结构图
LUCA的生存环境
研究人员似乎已经有一个共识，即LUCA应该在热液喷口繁衍生息，因为这里独特的栖息地能提供丰富的营养和高温的环境，各种化学物质之间的激烈的碰撞和组合分离及温差梯度大大提高了产生早期生命形式的概率。
图5 生命起源的海底热源环境学说
LUCA的关键代谢能力
研究人员通过现存生命中的基本代谢确定了LUCA中存在的一组基因，这些基因表达后所形成的蛋白质和生物酶能够揭示LUCA具有的基本代谢能力：
- 氢代谢能力。LUCA具有合成氢化酶的基因，氢化酶在富含氢气的环境中催化氢气的氧化或者质子的还原反应；
- 二氧化碳的固化能力。LUCA具有完整的乙酰辅酶A通路(Acetyl-CoA Pathway)，可以利用氢和二氧化碳来产生乙酰辅酶A；
- 甘油二酯或二酰甘油(Diacylglycerol, DAG)的生物合成。LUCA具有所有生成甘油二脂的催化酶，从而是利用脂类等营养物质代谢产生能量的重要代谢能力。
图6 原始生命的类RNA物质
生命起源的假说
根据以上对祖细胞起源和代谢的表述可以推断生命的起源过程：几十亿年前地球特殊的环境造就了各种各样的物质分子，这些丰富的物质被地表的水充分溶解汇聚注入大片的水域或海洋，海洋里充满物质的原生汤在地球特殊的温度环境和光照环境中互相碰撞反应，逐渐生成了各种复杂的有机物，继而聚合在一起，这些团聚体通过不断的化学反应逐渐生成RNA之类可以在其上结合氨基酸形成蛋白质和酶的特殊物质，这些类RNA物质在地球光学和地热能量的驱动下，能够固化物质然后利用这些能量物质，通过能量代谢驱动自体的活动，总有那么一个契机，形成了一个更加复杂的初级生命形式：祖细胞。这个细胞最大地适应了地球环境并不断演化，从而随着洋流扩展自己的活动领域，逐渐分化进化为今天地球上纷繁复杂的生物。
然而这种认为生命完全产生于地球环境的假说（化学进化学说）只是生命诞生过程的一种粗略的猜测（其他如宇宙胚种说，认为与地球相撞的其他星球提供了地球生命诞生所需要的原材料），而支持猜测的数据和证据依然不够充分地去还原那个已经逝去的几十亿年前的场景，人类的终极好奇：“我从哪里来的问题”由于时过境迁可能永远不会有清晰的答案，但研究生命起源的科学意义在于它能让人类有一天自己合成生命物质从而控制和改造生命继而改变人类的命运。