今天地球上所有生命都降生于一个单一细胞。见见最后统一共同祖先LUCA

又我们的“最后统一共同祖先”的最清晰图片提示它是一个生活在 42 亿年前相对复杂的有机体，一个长期以来被考虑为对生命来兴旺太严酷的时期。
ORIGINS OF LIFE

谁是在地球上所有生命的“最后统一共同祖先”？ 最后统一共同祖先（LUCA ）可能大约 42 亿年前就已经有过现代细胞的核心成分。Robert Neubecker for Quanta Magazine

ByJonathan Lambert

Contributing Writer

November 20, 2024

如果你沿着任何一条祖先的道路回到足够远，你将到达同一个点。无论你从大猩猩或银杏树还是在地球的深处碗中的细菌开始——或者对这件事你自己——所有道路通向“最后统一共同祖先（LUCA ）”。这种古老的单细胞生物（或者可能是单细胞生物种群）是使在当今我们地球上一个生命本身各种变化形式的祖先成为可能的。

最后统一共同祖先（LUCA ）并不代表生命的起源，藉此一些化学炼金术将分子折断成一种允许了自我复制和所有进化的机制的形式的例子。相反它是如我们知道的生命起飞的时刻。最后统一共同祖先（LUCA ）是在进化史中我们能从今天活着的向后工作瞥见的最遥远一点。它是被所有现代生命共享的最最近的祖先，我们的集体血统追溯回到一个单一古老的细胞种群或有机体。

 麻省理工学院的进化生物学家格雷格·富尼耶说，“它不是第一个细胞，不是第一个微生物，它真的不是第一个任何东西，以一种它是生命起源故事的方式结束” 。

然而了解最后统一共同祖先（LUCA ）——无论它是简单的还是复杂的以及它在生命起源后多快的浮现——可能帮助回答一些关于我们来自哪里以及我们在宇宙中是否孤独的最深刻的问题。

布里斯托大学的进化生物学家埃德蒙·穆迪说，“[最后统一共同祖先（LUCA ）] 告诉我们自己的故事，它给我们一个点，从中我们能甚至回去更远” 。

半个世纪以来，生物学家已经集中在各种生理学、基因组学和化石证据上来描绘有时急剧冲突的最后统一共同祖先（LUCA ）的肖像。2024 年，穆迪和包括地质学家、古生物学家、系统建模师和系统发育学家的一个跨学科研究人员团队将他们的知识结合来构建一个重建现代生命的共享祖先并估计它什么时候活了的概率模型。

7 月发表在《自然生态学与进化》杂志上的这项分析勾勒了令人惊讶的复杂的细胞图片。按照这项研究，最后统一共同祖先（LUCA ）靠氢气和二氧化碳生活，吹捧一个现代细菌一样大的基因组并且已经有过一个基本的免疫系统。作者争论它的基因组复杂性提示最后统一共同祖先（LUCA ） 是生活在大约 42 亿年前众多谱系之一——剩下的现在灭绝——一个在地球的相对早期历史中动荡的时期，长期以来被认为太严酷生命不能兴旺。

领导这项新研究的布里斯托大学研究员埃德蒙·穆迪 （Edmund Moody）用系统发育分析来研究生命之树的最古老分支。Wen-Tao Tao

按照在欧柏林学院（Oberlin College）研究早期生命分子进化的亚伦·戈德曼（Aaron Goldman），这项分析得出了两个似乎彼此矛盾的结论，他说 “首先是最后统一共同祖先（LUCA ） 是一种复杂的可能生活在一个复杂的生态环境中的细胞生物， “第二个是最后统一共同祖先（LUCA ）追溯回到一个在地球历史中相当早期的时期” ， 他没有参与这项新研究。他说结果可能意味着生命从一个简单的复制器显著惊人快的进化成某些类似于现代微生物的东西。“这真的令人兴奋” 。

“你得到一幅这个相当复杂的有机体的图片” 。Edmund Moody，Edmund Moody, University of Bristol

合著者、布里斯托大学进化生物学家菲尔·多诺霍说，“我们的工作提示进化的那些早期步骤是不艰难的，它们相当容易，如果你关注与微生物级生命的起源，那么那时显然的非常容易，而它在宇宙中应该是相当常见的” 。

然而并非所有该领域的专家都同意。一些人争论几亿年的时间不是让复杂生命已经进化的足够时间。作者强调他们的分析是第一次尝试来描绘一个更全面、公认的模糊的最后统一共同祖先（LUCA ）图片。该论文的主要作者穆迪说，“我完全期待并希望人们在某些方面证明我们是错的”，特别是如果这些新结果提供一个我们知道的所有生命的古老祖先的更清楚的观望。

一幅概率肖像

拼凑出生活在这么久以前一个实体的性质并非易事。微观化石能让研究人员有过这种样子的部分。但最老的生命的痕迹追溯回到约35亿年前，可能在最后统一共同祖先（LUCA ）活了后很久。这为我们来研究留下的最后统一共同祖先（LUCA ）后代。富尼耶说，“来研究最后统一共同祖先（LUCA ）的方法是来比较今天基因、生理学和新陈代谢的多样性然后逆向工作” ，他没有参与这项新工作。

在 1970 年代，远在基因组时代之前研究人员认为所有生命的最后共同祖先（尚未被命名为最后统一共同祖先（LUCA ））是相当原始的，一种还没有掌握来将基因翻译成蛋白质能力的复制实体。但随着基因测序技术进步和更多基因组变得可利用，研究人员变得能够来寻找许多不同生物体中共享的基因来推断哪些是最古的和通过时间被保存的。

这是穆迪的团队如何开始的。他们建立了一个代表350 种生活细菌物种和350 种古细菌物种中关系的进化树。然后，他们分析了被这些物种共享的近 10000 个基因家族的进化历史来为每个基因创建一个进化树。

布里斯托大学（University of Bristol）的进化生物学家菲尔·多诺霍（Phil Donoghue）通过结合现存证据和化石证据研究主要的进化过渡。A.K. Purkiss

当我们比较两个密切相关的基因谱系时自然地来得出任何共享的基因物质会已经存在于它们的共同祖先中的结论。然而随你更深钻研进时间这种推断变得更复杂。如果最后统一共同祖先（LUCA ）的一个基因在一些后来的谱系中消失了，它可能出现已经更最近进化了。或者在最后统一共同祖先（LUCA ）之后很久进化的一个基因可能通过一个被称为水平基因转移的过程在不相关的谱系中散布，在这种案例中基因分析会使它宛如某些很晚出现的东西已经起源于最后统一共同祖先（LUCA ）一样。戈德曼说，“有很多能阻碍一个明确信号的进化过程”。

一种将信号与进化噪声隔离开的方法是只选择几乎不显示水平基因转移证据的基因和蛋白质。来自2016 年最突出的此类分析提示最后统一共同祖先（LUCA ）是一个相对简单的实体，仅是“半活的”，为能量依赖热液喷口的地球化学。然而多诺霍说，如此一个保守的仅集中在最明显的共享基因和蛋白质上可能偏见研究人员，导致太简单的一个最后统一共同祖先（LUCA ）概念。

最后统一共同祖先（LUCA ）可能是一个更广泛的生态系统的部分，从中它的谱系是唯一的幸存者。

因此，不是一个二元的进入或出去方法，而是穆迪和他的同事们计算了一个给定基因存在的概率。通过将基因树与物种树比较，研究人员估计水平基因转移、基因丢失和其他可能使图片变得模糊的进化过程的速率。在该过程的结束，他们为每个基因分配了一个一直是最后统一共同祖先（LUCA ）基因组的部分的概率。

该团队识别了 399 个有高度机会一直在最后统一共同祖先（LUCA ）中的基因家族，一个与 2016 年的保守分析大致一致的数字。通过也整合数千个其他基因家族的概率，他们估计了最后统一共同祖先（LUCA ） 的基因组可能编码了大约 2600 种蛋白质——使它的大小与一些现代细菌的基因组相似。

 穆迪说，鉴于关于这些蛋白质已知的，“你得到一幅这种相当复杂的生物体的图片”。 最后统一共同祖先（LUCA ）可能是通过将二氧化碳和氢气转化为能量不用氧气存活。这些输入可能已经来自非活着的来源，例如热液喷口或在海洋表面的大气气体。

Mark Belan/ Quanta Magazine

或者，最后统一共同祖先（LUCA ）可能已经靠其他生物的化学废物为食，提示它已经是与其他微生物一起的一个复杂生态系统的部分。该分析不能提供这种可能的古代生态学的直接证据，因为这种谱系的痕迹早已消失了。但作者争论最后统一共同祖先（LUCA ）会已经孤立进化了复杂性是不太可能的。因为它的新陈代谢是与依赖和潜在的支持其他微生物一致的，最后统一共同祖先（LUCA ）可能是一个更广泛的生态系统的部分，从中它的谱系是唯一幸存者。

至少这个生态系统包含了病毒：研究人员说最后统一共同祖先（LUCA ）可能拥有 19 个 CRISPR 基因，细菌用这些基因来切割病毒威胁。

威斯康星大学麦迪逊分校的进化生物学家贝图尔·卡萨尔说，“我们倾向于认为早期生命是不知怎的更简单、更少复杂的......但我不认为有任何理由来思考那个，对我一个复杂的生态系统听起来更现实的” 。 他没有参与这项研究。

活着可能是容易的

最后统一共同祖先（LUCA ）的唯一剩下的痕迹是在今天活着的每种生物的基因密码中。幸运的是研究人员能驯服生命的一个基本事实——它进化——来计算多久以前最后统一共同祖先（LUCA ）活着。基因随着时间变化，随机但不可避免的滴答声能服务为一种分子钟。通过比较两个谱系之间累积的基因变化，研究人员能估计多久以前它们分裂。

研究人员典型的用追溯的化石校准他们的时钟，用在感兴趣点之前分裂掉的谱系作为一个参考。然而，化石记录始于最后统一共同祖先（LUCA ）的时代之后很久。为在树上添加一个前最后统一共同祖先（LUCA ）根并更准确地确定它的年龄，研究人员转向了五个有一个特别古老历史的基因。戈德曼说，“这是一种来支持他们结果的聪明方法”。

我们倾向于认为早期生命不知怎的更简单、更少复杂的......但我不认为有任何来思考它的理由为。Betül Kaçar, University of Wisconsin, Madison

从这些基因他们估计了最后统一共同祖先（LUCA ）生活在大约 42 亿年前——大约在月球被从一个火星大小的行星与地球碰撞形成后 3 亿年。这是一个在我们星球历史中的动荡时期。地球可能至少要用 1 亿或 2 亿年来安顿下来来支持生命。

如果这个时间线是正确的，生命只有过几亿年来浮现并变得相当复杂。最后统一共同祖先（LUCA ）和它的早期后代也将已经存活一个从前被认为对生命过于严酷的时期，当时地球持续的被小行星轰炸。

并非所有科学家买帐最后统一共同祖先（LUCA ）是那么老的。巴斯德研究所前微生物学负责人帕特里克·福斯特尔说，“很难来想象最后统一共同祖先（LUCA ）正生活在 40 亿年前之前” ，他共同组织了捏造“最后统一共同祖先（LUCA ）”术语的会议。他争论在月球形成后，地球会已经需要更多的时间来冷却下来，他怀疑我们能准确推断在最后统一共同祖先（LUCA ）时期演化的步伐。

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然而，42 亿年是与几项其他分析大致一致的。墨西哥研究机构信威斯泰伊拉普奥拓（Cinvestav Irapuato ）的生物学家 德拉耶（Luis Delaye）说，“我认为最后统一共同祖先（LUCA ）真的古老的”。但德拉耶并不完全相信最后统一共同祖先（LUCA ）像研究发现的那样复杂。他引用从最后统一共同祖先（LUCA ）分裂出来的两个分支细菌和古细菌之间细胞膜和 DNA 复制机制的关键差异作为最后统一共同祖先（LUCA ）可能一直有点更简单的证据。

德拉耶说，充实从中当今地球上活着的一切进化了的微生物的图片将要用对单个共享的基因和蛋白质的更详细的研究来更好了解它们的进化功能。最终，甚至一个最后统一共同祖先（LUCA ）的生物学的完美重构将仅告诉我们关于生命的最初化学步骤的如此多。他说，“也许如果我们把生物学推得我们能够的尽可能远，化学家能填补空白”。

https://www.quantamagazine.org/all-life-on-earth-today-descended-from-a-single-cell-meet-luca-20241120/