我们如何重建地球上所有生命的祖先

Edmund R. R. Moody，布里斯托大学和 Sandra Álvarez-Carretero，伦敦大学学院

客座作者

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了解生命在地球上如何起源和进化是一个长期以来让人类着迷的问题，现代科学家在寻找答案方面已经取得了巨大进展。现在，我们最近的研究希望为地球上生命的起源提供新的见解。

大约 3.75 亿年前，我们像鱼一样的祖先通过鳃呼吸。六亿多年前，所有动物的共同祖先出现了——微小的后生动物。然而，在这一切发生之前数十亿年，所有生物体的共同祖先，最后的普遍共同祖先（卢卡）一定已经存在。

几十年来，科学家们一直致力于识别卢卡的身份，对卢卡的性格有不同的看法。另一个争论点是卢卡的年龄。我们拥有的最早的生命化石证据距今约有 34 亿年。一些研究将卢卡的年龄推迟到接近 45 亿年前地球诞生的年龄。其他人则认为这是不可能的，因为建立遗传密码和 DNA 复制机制需要时间。

卢卡并不是第一个生命形式；它是所有生物体的起源。尽管如此，科学家认为生物体可能早在卢卡之前就已经存在了。了解卢卡是什么样子以及它生活的年代，对于帮助我们了解地球上的生命是如何进化的非常重要。

在我们最近发表在《自然生态学与进化》杂志上的研究中，我们结合使用了多种科学方法来重建卢卡的基因组，并展示了我们发现的基因如何让卢卡得以生存。该项目是国际合作者团队多年工作的成果。

卢卡的本质

为了重建卢卡的基因组，我们需要来自不同群体的细菌和古细菌（不同于细菌的单细胞生物）的基因组样本（生物体中的所有遗传信息），以便我们可以确定我们正在采样现代生命。我们排除了真核生物（植物、动物和真菌），因为科学家认为它们是很久以后由古细菌和细菌结合进化而来的。我们拥有一组 700 个基因组（350 个古细菌和 350 个细菌），这些基因组是从我们中的一些人参与的 2022 年研究中整理出来的。

我们将这些基因分类到不同的家族中，以了解它们在现代生物体中的用途。为此，我们使用了一个名为 KEGG 的数据库，它可以帮助科学家找出生物体的代谢途径（它们如何维持生命）。

接下来，我们使用这些家族来推断系统发育树（或系统发育树，有点像家谱），以了解不同物种之间的关系，并了解它们如何随着时间的推移而进化。我们还建立了一组单独的 57 个基因，这些基因是我们研究中所有 700 种生物体所共有的，并且可能存在于几乎所有生命中。这些类型的基因在过去几十亿年里没有发生太大变化。

我们使用这 57 个基因构建了物种树，它显示了不同生物体的达尔文关系。然后，我们可以通过对基因复制、基因转移和丢失率进行建模，将 KEGG 基因树与物种树结合起来。这也使我们能够计算卢卡中存在不同基因家族的可能性。

重建卢卡的基因组使我们能够估计它的新陈代谢，就好像它今天还活着一样。我们将卢卡想象成一个相当复杂的生物体，例如现代细菌和古细菌，具有很小的基因组。然而，我们没有找到光合作用（一些细菌使用的）或固氮的证据，固氮是一些现代细菌和古细菌用来维持生存的化学过程。

卢卡几岁了？

我们还尝试了一种新方法来估计卢卡的年龄，即使用我们认为在卢卡之前复制的基因以及来自化石的信息。

通常，为了推断进化时间表，我们会获得具有同源基因的我们感兴趣的物种的系统发育，这些同源基因可以追溯到共同的祖先。

然后，我们会找到一组与我们感兴趣的物种关系较远的物种（外群），以建立系统发育的根源。

在系统发育中连接物种的“分支”保存着有关遗传变化（突变）发生的速率和物种分化时间的信息。我们可以使用化石或地质证据来告知分子钟有关物种形成事件发生的潜在最小年龄。

然而，对于卢卡，我们有两个问题。生命起源不存在外群，也没有太多化石或来自早期地球的地质证据可供我们用来校准分子钟。

为了克服这些限制，我们使用了科学家已经追踪到卢卡的旁系同源基因。旁系同源基因通过基因复制彼此相关。当一个物种分裂成两个，每个物种都有自己的复制基因时，就会发生这种情况。

我们估计卢卡大约在 42 亿年前在地球上漫游。如果我们的时间估计接近事实，那么诸如遗传密码、蛋白质翻译和生命本身之类的东西一定是在地球形成之后就迅速进化的。

我们对卢卡的重建不是第一次，也肯定不会是最后一次。每年越来越多的生物体被发现并测序，计算机变得越来越强大，进化模型也在不断改进。因此，当有更多的数据和强大的技术可用时，我们对卢卡的理解可能会改变。

例如，我们应该考虑到，在卢卡时代可能还生活着许多其他生物体，但今天的任何生物体都不再代表它们了。如果卢卡的早期后代中的任何一个没有活到现代，他们的基因也没有生存下来，那么我们将永远无法将这些基因家族映射回卢卡，这意味着我们对卢卡的重建可能是不完整的。

尽管存在技术限制，我们的研究为理解卢卡提供了一种新方法。但要更好地了解自地球形成以来生命是如何进化的，我们还有很多工作要做。

Edmund R. R. Moody，布里斯托大学计算进化生物学高级研究员和 Sandra Álvarez-Carretero，伦敦大学学院研究员

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