一场始于远古的单细胞“星球大战”，是如何重塑生命、塑造人类的免疫防线的？

人体免疫系统是地球上最复杂的生物系统之一，其复杂程度仅次于大脑。然而，这个精密的防御体系并非脊椎动物的专利，更非人类的独创。它的根源，可以追溯至生命的黎明。数十亿年前，在最早的生命形式诞生之初，一场永无止境的“军备竞赛”就已经拉开了序幕。这场竞赛的一方是正在学习复制自身的原始细胞，另一方则是地球上最早出现的“敌人”——病毒。

正是这场持续至今的博弈，塑造了我们今天所知的、贯穿所有生命领域的免疫防御体系。2026年5月24日发表在《科学》杂志上的一篇深度报道，以详实的研究梳理了这场远超出了单一物种范畴的生命故事。这篇文章将从最原始的单细胞微生物开始，一步步揭示今天的免疫系统是如何在亿万年的生存搏斗中被锻造出来的。

1  四十二亿年前的“卢卡”与早期免疫

要理解免疫系统的起源，就必须回到生命的“原初设计图”——地球上的最后一个共同祖先（Last Universal Common Ancestor，简称“卢卡”）。科学家推测，卢卡并非一个简单的原始生物，而是一种复杂的生物体，与现代原核生物并没有太大区别。它生活在约42亿年前，拥有一个令人惊叹的特征：它已经拥有了早期的免疫系统。

这意味着，即使在生命演化的如此早期阶段，抵御外来入侵者的压力就已经存在。卢卡时代的“病毒”——原始的遗传入侵者——已经对生命构成了严重威胁。为了生存，卢卡及其后代发展出了基本的防御机制来对抗病毒攻击。这场最早期的“军备竞赛”，成为了所有后续免疫演化的基础。

2  单细胞生物的“基因战争”

在卢卡之后，生命分化为细菌和古菌两大原核生物阵营。对于这些单细胞生物而言，与病毒的斗争是一场关乎生死存亡的“星球大战”。病毒（特别是感染细菌的噬菌体）的数量远超地球上所有生物的总和，每天都会造成数以百万计的微生物死亡。在这种巨大的生存压力下，细菌与古菌演化出了一套极为庞大且复杂多样的防御系统。

过去十年间，科学研究揭示了一个令人震惊的事实：已知的原核生物防御系统从寥寥数种激增到近三百种。这些系统的功能涵盖了病毒识别、免疫警报传递，甚至为了保全整个菌群而牺牲被感染的个体。美国国家生物技术信息中心的演化生物学家尤金·库宁（Eugene Koonin）评价说：“自然界穷尽了所有可行的抗感染演化路径。”

在这数百种防御系统中，有两个代表了不同的免疫策略，为后来更复杂生物体的免疫系统提供了原始的“零件”。

CRISPR：原核生物的适应性免疫

CRISPR全称“成簇规律间隔短回文重复序列”，是细菌和古菌的一种获得性免疫系统，本质上是RNA引导的DNA切割引擎。当病毒首次入侵时，CRISPR系统会将入侵病毒的一段DNA片段作为“记忆”插入到自身的基因组中。当同一种病毒再次来袭时，细胞会转录这段“记忆”，生成引导RNA（crRNA），引导Cas蛋白精确识别并切割入侵病毒的DNA，从而阻止感染。

这一机制与人体适应性免疫有着惊人的相似之处：插入病毒片段相当于“免疫记忆”，crRNA引导Cas蛋白相当于“特异性抗体”，而Cas蛋白切割病毒DNA则相当于“二次免疫清除”。CRISPR系统在2012年被 Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 团队开发为基因编辑工具，她们因此获得了2020年诺贝尔化学奖。

限制-修饰系统（Restriction-Modification，RM系统）

早于CRISPR系统被人类认知的，是限制-修饰系统。它由限制性内切酶（切割DNA的“剪刀”）和甲基化酶（保护自身DNA的“防护罩”）组成。细菌利用限制性内切酶识别并切割入侵噬菌体DNA中未经甲基化修饰的特征序列，同时通过甲基化酶给自己的DNA打上“自己人”标记，从而避免被误伤。

3  演化保守性的革命性发现——从细菌到人类

很长一段时间里，科学界默认不同物种的免疫防御体系是各自独立演化的。然而，2013年的一次偶然发现，彻底颠覆了这一传统认知。

当时还是加州大学伯克利分校博士后研究员的菲利普·克兰丘什（Philip Kranzusch）在解析霍乱弧菌的一种酶结构时，发现了一个让他震惊的事实：这种酶的折叠结构、活性位点与整体构型，与人体内抵御病毒入侵的一种哨兵蛋白几乎如出一辙。克兰丘什回忆道：“灵光瞬间闪过脑海，人体细胞的免疫蛋白，演化历史远比我们预想的更为久远。”

这一观点在当时被许多人视为异端。人体免疫的核心——抗体——是在脊椎动物中才演化出来的；而细菌用来防御噬菌体的CRISPR系统和限制性内切酶，过去普遍认为在高等生物体内并不存在。然而，经过多年的后续研究，克兰丘什与合作者证实，他2013年发现的细菌酶正隶属于噬菌体防御系统，其核心信号通路与人体抗病毒免疫通路高度相似。科罗拉多大学博尔德分校细菌学家艾伦·怀特利评价，这项发现彻底颠覆了传统认知，“真正标志着一个重大的范式转变”。

这只是一个开端。同一时期，科学家们陆续发现，动植物免疫系统中也存在着大量与微生物防御系统同源的核心分子构件。截至目前，已有超过十种细菌防御系统被证实与高等生物共用核心分子。

2024年，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队在《自然·通讯》上发表了一项重要研究，追踪了人类先天免疫系统的两个关键元件——viperin蛋白和Argonaute蛋白的来源。他们发现，这些蛋白最终来源于一个名为“阿斯加德古菌”的特殊微生物群。“病毒性感染是我们自生命诞生以来就面临的一种演化压力，始终保持某种防御机制是至关重要的，”该研究的作者佩德罗·莱昂（Pedro Leão）解释道，“当细菌和古菌发现了可行的工具后，它们就被保留并传承下来，至今仍是我们第一道防线的一部分。”

一个更具体的例子是人体内的STING信号通路——这是人体感知胞内DNA病毒感染的重要防御机制。该通路的核心蛋白cGAS和STING，在细菌中竟有明确的同源物，称为CBASS系统。细菌利用CBASS系统感知噬菌体感染，通过合成环状二核苷酸信号分子来触发防御反应。同样，人体内广泛存在的TIR（Toll/白介素-1受体）结构域蛋白——它介导了Toll样受体下游信号传导的关键步骤——其最古老的“原始版本”同样存在于细菌的噬菌体防御系统中，甚至可以在不同生物体间移植并保持功能。

所有这一切揭示了一个革命性的结论：人体先天免疫系统的核心分子构件——我们抵御细菌、病毒、真菌的第一道防线——其根源可追溯至数十亿年前微生物与噬菌体的生存斗争。

著名分子生物学家雅克·莫诺（Jacques Monod）曾言：“适用于大肠杆菌的规律，同样适用于大象。”这句话在免疫系统的起源上得到了完美的印证。巴斯德研究所微生物学家奥德·贝尔海姆（Aude Bernheim）对此评价：“它清楚地表明，免疫的底层逻辑在整个生命之树上是高度保守的。”

4  适应性免疫的飞跃——有颌脊椎动物的“大爆炸”

在漫长的演化进程中，先天免疫系统为生命提供了一道坚固且通用的防线。然而，真正的革命性飞跃发生在大约5亿年前——有颌类脊椎动物的崛起，以及它们独有的适应性免疫（也称获得性免疫）的出现。

这场演化事件被免疫学家称为“免疫大爆炸”，其核心是一次极具远见的遗传学创新。有颌类脊椎动物获得了一个由一对基因RAG1和RAG2构成的“基因重组酶”——它并非由生命“设计”，而是通过“分子驯化”的方式，将一个名为Transib转座子的DNA跳跃元件“招安”为己用。转座子是基因组中的“跳跃基因”，通常只以复制自身为目标。但在这个特殊的演化节点，古老的RAG转座酶被“驯化”了：它不再执行“跳跃”，而是精确地识别并切割T细胞和B细胞受体基因的DNA片段，创造出无限的序列组合可能。

RAG启动的V（D）J重组使有颌类脊椎动物的免疫系统拥有了近乎无限的多样性——它们因此可以识别不计其数的外来入侵者。在此基础上，基于记忆B细胞和T细胞的“二次免疫应答”机制赋予了脊椎动物前所未有的长期保护：当身体遭遇一个新的病原体后，会保留“记忆细胞”；一旦再次遭遇相同病原体，这些记忆细胞就能迅速启动比初次应答更快速、更强烈的免疫反应。正因如此，疫苗才能发挥作用——疫苗的本质，正是利用适应性免疫的记忆特性，在安全的前提下让身体提前“预习”如何对抗病原体。

5  免疫系统的跨时代传承

从42亿年前卢卡身上的简单防御机制，到细菌CRISPR系统的精妙记忆，再到人类数亿年未曾停歇的病原博弈，免疫系统的演化史并非一条简单的“由简到繁”的直线。历史的真相远比我们想象的更加珍贵和深刻：我们的免疫系统并非凭空创造，而是直接“复用”了微生物祖先经历了亿万年严苛考验后才打磨出的“成熟代码”。

这种一脉相承的演化路径让我们看到，人类并不是一座孤立于自然界的孤岛。我们的身体，是一本记录了几十亿年来与病毒斗争历史的活化石。每一个免疫细胞、每一次炎症反应、每一发精准靶向入侵者的抗体，其底层逻辑都由远古时代那场单细胞“星球大战”所决定。这深刻地提醒我们：健康，不仅是当下生物功能的正常发挥，更是对生命漫长演化史的一种忠实继承。

参考资料

[1] ScienceNet. 免疫系统起源于远古微生物与病毒的厮杀博弈. 孙学军的博文，2026-05-24..

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