尋找“露卡”

基思·庫珀

大約40億年前，地球上生活著名叫“露卡”（LUCA）的微生物。研究表明，這種細(xì)菌的存在方式奇特，隱藏在地下深深的富含鐵硫黃的熱泉噴口。露卡具有厭氧菌和自養(yǎng)菌的特性，不需要空氣和養(yǎng)分，依靠周邊黑暗而又富含礦物質(zhì)的環(huán)境生存，通過把氫、二氧化碳和氮轉(zhuǎn)換為氨類復(fù)合物進(jìn)行新陳代謝。這種細(xì)菌最著名的一點(diǎn)就是：它是地球上所有生物的共同祖先。

如果深入追尋地球生命的系譜，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)任何生命都和露卡有一定關(guān)系。如果我們對(duì)火星的探索動(dòng)機(jī)來自“發(fā)現(xiàn)水的存在”，那么尋找露卡的動(dòng)機(jī)就是“發(fā)現(xiàn)基因”。研究生命的系譜能夠展現(xiàn)生物基因之間的相互關(guān)系和進(jìn)化歷程，這門學(xué)科被稱為系統(tǒng)發(fā)育學(xué)。在過去的20年中，我們已經(jīng)可以進(jìn)行全面基因排序并且建立了大型基因庫，系統(tǒng)發(fā)育學(xué)也隨之走向成熟，并帶來了關(guān)于生命初期的豐富知識(shí)。

長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為生命系譜在露卡的基礎(chǔ)上分化出了三個(gè)分支——真核、細(xì)菌和古生菌。后兩者——又稱為原核生物——都是單細(xì)胞且無細(xì)胞核，它們之間只有微妙的化學(xué)和新陳代謝之間的差異。但是真核類是復(fù)雜的多細(xì)胞生命形式，每個(gè)細(xì)胞都有細(xì)胞膜，其細(xì)胞核包含基因代碼，并有線粒體細(xì)胞器為細(xì)胞提供新陳代謝的動(dòng)力。真核類和其他兩類差別巨大，被認(rèn)為是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。

然而，一種新的理論認(rèn)為，真核只是細(xì)菌和古生菌的一個(gè)衍生物而已，并不是一個(gè)獨(dú)立的分支。這種“兩分支”的生物系譜設(shè)想最先由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的進(jìn)化生物學(xué)家吉姆·雷克在1984年提出，但是直到最近十年才得以立足。這要?dú)w功于進(jìn)化分子生物學(xué)家馬丁·恩布利和他在英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室，還有德國海因里希海涅大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家威廉·馬丁。

威廉·馬丁及其6位同事2016年在《自然微生物》雜志發(fā)表了一篇論文，描述了關(guān)于露卡的新觀點(diǎn)和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的“兩分支”理論。

遠(yuǎn)古基因

以前對(duì)露卡的研究集中在尋找生物染色體中普遍存在的共同基因，其理論假設(shè)為：如果所有生物都具有這些基因，那么這些基因肯定來自露卡。研究者使用這種方法已經(jīng)確定了大約30個(gè)這種基因。另外一種方法是尋找現(xiàn)在的古生菌或者細(xì)菌中的基因，目前已經(jīng)確定了大約11000個(gè)可能與露卡有關(guān)的共同基因。但是這種方法有點(diǎn)難以讓人信服——如果露卡有這么多基因，它會(huì)比現(xiàn)代的任何細(xì)胞功能都要強(qiáng)大。

馬丁及其團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，之所以出現(xiàn)如此多數(shù)量的基因，是因?yàn)橐环N被稱為“側(cè)向基因轉(zhuǎn)移”（LGT）的現(xiàn)象從中作祟。在一些情況下，比如病毒傳播或細(xì)胞處于一定壓力下發(fā)生同源重組，LGT會(huì)使物種之間甚至跨域產(chǎn)生基因轉(zhuǎn)移。

不斷生長(zhǎng)的細(xì)菌或者古生菌能夠從周邊環(huán)境攝取新的基因，通過“重組”的方式使新的基因進(jìn)入其DNA串。新基因一般來說與原有基因有緊密關(guān)系，但偶爾也會(huì)來自更疏遠(yuǎn)的關(guān)系。在40億年的進(jìn)化過程中，基因已經(jīng)能夠自由移動(dòng)，覆蓋露卡原有的基因痕跡。所以，古生菌和細(xì)菌共有的基因也許來自側(cè)向基因轉(zhuǎn)移，并不一定源于露卡。

在此理論指導(dǎo)下，馬丁團(tuán)隊(duì)開始尋找“遠(yuǎn)古”基因：存在時(shí)間久遠(yuǎn)且沒有發(fā)生LGT的那些基因，認(rèn)為這種基因應(yīng)該來自露卡。為了削減數(shù)量，他們列出了限定條件：沒有LGT的影響，并且至少存在于兩組古生菌和兩組細(xì)菌當(dāng)中。

“我們檢查數(shù)據(jù)時(shí)興奮不已，因?yàn)樗袛?shù)據(jù)指向了同一個(gè)具體方向。”馬丁說道。

分析結(jié)束后，馬丁團(tuán)隊(duì)從初始的11000個(gè)基因中保留了355個(gè)。他們宣稱這355個(gè)基因絕對(duì)來自露卡，并且可以揭曉露卡是如何生存的。

眾所周知，這個(gè)基因數(shù)量根本不能維持生命。批評(píng)家也馬上抓住這個(gè)不足，指出這種基因缺失根本不能夠進(jìn)行核苷酸和氨基酸生物合成。“我們甚至沒有一個(gè)完整的核糖體。”馬丁也承認(rèn)。

的確，他們的方法是要求排除一切發(fā)生側(cè)向轉(zhuǎn)移的基因，如此一來，如果核糖體蛋白質(zhì)發(fā)生了側(cè)向基因轉(zhuǎn)移，就不能進(jìn)入露卡的基因范圍。馬丁團(tuán)隊(duì)還猜想，露卡可以借助環(huán)境中的分子來完成缺失基因的功能，比如合成氨基酸。總之，在生物進(jìn)化的初始階段，生物化學(xué)功能仍然是原始的，所有關(guān)于生命起源和最初細(xì)胞的理論都包含生命體以外的化學(xué)合成過程。

這355個(gè)基因表明露卡生活在熱液噴口。馬丁團(tuán)隊(duì)的分析表明，露卡使用分子氫作為一種能量來源，而熱液噴口內(nèi)的蛇紋石化能夠產(chǎn)生大量分子氫。除此之外，露卡還擁有一種用于制造“反向回旋酶”的基因。目前，這種酶存在于高溫環(huán)境中的極端生物體內(nèi)，包括熱液噴口。

兩分支系譜

專門研究真核生物進(jìn)化的馬丁·恩布利指出，過去十年對(duì)生物系譜“兩分支”的認(rèn)可是一個(gè)“突破”，對(duì)我們?nèi)绾慰创缙谏锏倪M(jìn)化具有深遠(yuǎn)的影響，在此期間，馬丁自然功不可沒。馬丁·恩布利說：“生命的基礎(chǔ)分化出現(xiàn)在古生菌和細(xì)菌之間，這是目前比較可靠的假設(shè)。”

人們普遍接受的觀點(diǎn)是第一代古生菌和細(xì)菌類似于梭菌（厭氧菌）和產(chǎn)甲烷菌，因?yàn)楫?dāng)今這兩種菌仍然有許多特點(diǎn)和露卡一致，比如主要的生理機(jī)能，以及對(duì)氫、二氧化碳、氮和過渡金屬的依賴（這些金屬通過用碳和氮來填充它們的電子外殼從而產(chǎn)生催化作用）。但是還有一個(gè)問題亟待解答：第一代真核生物是什么樣子？它們?cè)谏底V的位置又是哪里？

系統(tǒng)發(fā)育學(xué)表明，真核生物是通過共生過程進(jìn)化而來的，也就是古生菌宿主和其共生體，共生的細(xì)菌應(yīng)該是變形菌綱的細(xì)菌。在形成真核生物特殊共生體中，細(xì)菌在它們的古生菌宿主體內(nèi)不斷繁殖而不是消亡。這樣一來，細(xì)菌不僅僅是寄生于其宿主體內(nèi)，而且使其宿主不斷生長(zhǎng)并且含有越來越多的DNA。在十幾億年的進(jìn)化過程中，共生體細(xì)菌進(jìn)化為現(xiàn)在的線粒體——一種像電池一樣的細(xì)胞器，可以為更復(fù)雜的真核細(xì)胞提供能量。由此看來，真核生物不是生物系譜的第三個(gè)分支，而是兩大分支的一個(gè)主要側(cè)支而已。

最近，瑞典烏普拉薩大學(xué)的蒂斯·伊特姆率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章，揭示了真核細(xì)胞演變過程的更多細(xì)節(jié)。在北大西洋海底的熱泉區(qū)（位于格陵蘭島、冰島和挪威之間，被稱為“洛基的城堡”的地帶），他們發(fā)現(xiàn)了一類新綱目的古生菌，并以挪威神靈居住地的名字命名為“阿斯加德”。這個(gè)綱目中的每一種微生物都以挪威神靈的名字命名。這種超級(jí)綱目的古生菌是現(xiàn)存的和真核細(xì)胞最近的“親戚”，伊特姆猜測(cè)，真核細(xì)胞就是從這些古生菌，或

者目前此綱目中尚未發(fā)現(xiàn)的同類細(xì)菌進(jìn)化而來的，時(shí)間大約是20億年前。

走近“露卡”

如果有可能確定真核細(xì)胞“誕生”的時(shí)間，甚至確定真核細(xì)胞是由哪種古生菌和細(xì)菌進(jìn)化而來的，系統(tǒng)發(fā)育學(xué)能否追溯露卡出現(xiàn)的時(shí)間，以及它何時(shí)出現(xiàn)了主要的兩個(gè)分支？

然而露卡并不是生命的起源。最早的生命痕跡出現(xiàn)在37億年前，是微生物沉積形成的疊層巖。或許生命在這之前就已經(jīng)存在。而露卡的出現(xiàn)以及分化成古生菌和細(xì)菌的時(shí)間是在40億至20億年之前。

系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究可以使露卡出現(xiàn)的時(shí)間更為精確。但是馬丁·恩布利不確信現(xiàn)有的研究手段能夠完成這一科學(xué)壯舉，他認(rèn)為“系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的問題在于：用來進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析的工具沒有精細(xì)到可以分析這么大時(shí)間跨度的分子進(jìn)化過程”。恩布利同樣認(rèn)為，生命系譜“三分支”的假設(shè)之所以存在這么多年，就是因?yàn)槲覀儧]有必要的手段來推翻它。但是，現(xiàn)在的“兩分支”結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到確認(rèn)，證明新技術(shù)不斷發(fā)展，我們已經(jīng)有戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)的可能。

這些技術(shù)包括研究實(shí)驗(yàn)室中根據(jù)生物化學(xué)理論進(jìn)行的生物起源實(shí)驗(yàn)，看其是否與自然界中生物學(xué)的發(fā)生過程一致。這也是英國倫敦大學(xué)學(xué)院的進(jìn)化生物學(xué)家尼克·雷恩所關(guān)注的。他說：“我覺得化學(xué)反應(yīng)式中缺失了生物學(xué)方面的支持，生成有機(jī)化合物并不難，難的是讓它們自發(fā)地組織合成。化學(xué)家在很大程度上忽略了這個(gè)問題。”

比如，雷恩特別指出，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用氰化物來合成生命，也會(huì)使用紫外光作為特設(shè)能源，但是自然界中沒有任何生物這樣做。雷恩認(rèn)為這是實(shí)驗(yàn)室生物化學(xué)和自然界生物學(xué)的脫節(jié)，但是他同時(shí)認(rèn)為威廉·馬丁正在填補(bǔ)這個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)橥难芯糠献匀簧飳W(xué)，也找到了露卡生存的自然界環(huán)境。“這就是讓我們興奮之處，因?yàn)樗难芯拷⑵鹆藢?shí)驗(yàn)室和自然界之間絕妙、獨(dú)立的聯(lián)系。”雷恩如此評(píng)論道。

“生物化學(xué)使我們得知露卡生存的地理環(huán)境和形成生命的必備元素。”馬丁·恩布利指出。他認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)育學(xué)是得到最終答案的正確渠道，并引用伍德- 里翁達(dá)爾碳固定途徑作為證據(jù)。

碳固定是指將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳化合物，這種化合物可以被生物利用。目前已知有六種碳固定途徑，佛里堡大學(xué)的微生物學(xué)家喬治·富克斯在經(jīng)過數(shù)十年的研究發(fā)現(xiàn)，伍德-里翁達(dá)爾途徑是最原始的途徑，所以很可能被露卡使用。這個(gè)結(jié)論也得到了威廉·馬丁團(tuán)隊(duì)的支持。

簡(jiǎn)單來說，細(xì)菌和古生菌通過伍德-里翁達(dá)爾途徑，從氫和二氧化碳開始，并將二氧化碳分解為生命可用的一氧化碳和甲酸。“伍德- 里翁達(dá)爾途徑需要堿性熱液環(huán)境，這種環(huán)境提供了碳固定的一切條件——結(jié)構(gòu)、天然質(zhì)子梯度、氫和二氧化碳。” 馬丁說，“地理環(huán)境和現(xiàn)實(shí)生物場(chǎng)景相結(jié)合，這只有最先進(jìn)的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)才能做到。”

天文生物學(xué)的啟示

了解生命的起源和露卡的身份不僅對(duì)解釋地球上為何出現(xiàn)生命至關(guān)重要，對(duì)其他星球上可能出現(xiàn)的生命也同樣重要。露卡生存的熱液噴口在太陽系中普遍存在，只需要巖石、水和地球化學(xué)熱。馬丁說：“如果我們?cè)诘厍蛞酝庹业狡渌铮敲催@些生物至少在化學(xué)組成上非常接近人類。”

外太陽系的很多衛(wèi)星有石質(zhì)內(nèi)核，被海水覆蓋，海水上面又有厚厚的冰水混合物。木衛(wèi)二和土衛(wèi)二是最典型的代表，土衛(wèi)六、土衛(wèi)五和冥王星以及很多太陽系的其他行星表層下面也有海洋的存在。不難想象，這些地下海洋也有熱液噴口，其能量來自與其環(huán)繞母星的重力潮汐作用。陽光不能穿透這些衛(wèi)星的表層冰并不影響生命的形成——馬丁研究的這種露卡的生存并不需要陽光。

“我們對(duì)露卡的研究的太空生物學(xué)意義在于生命的形成并不需要光。”馬丁說道，“化學(xué)能量驅(qū)動(dòng)生命之源，造就了第一個(gè)細(xì)胞。現(xiàn)在土衛(wèi)二上存在的，也是化學(xué)能量。”

因此，我們對(duì)生命起源和露卡生存方式的研究發(fā)現(xiàn)帶來了這樣的希望：生命很可能存在于土衛(wèi)二或者木衛(wèi)二這樣遙遠(yuǎn)的星球上，那里有幾乎和地球相同的供生命起源的環(huán)境。既然我們已經(jīng)知道露卡如何生存，未來某天人類探索這些星球時(shí)，就知道應(yīng)該去尋找什么樣的生命痕跡。