101. 谁是生命的始祖LUCA(最后的普遍共同祖先)?

Who was LUCA (the last universal common ancestor)?

题记：关于几十亿年前地球上所有复杂生物的“母亲”，即生命的起源是什么，人们众说纷纭。不断发现的原始微生物世界和比较基因组学的发展，应该有助于解决生命最初始祖的起源问题。

地球上所有细胞的最后一个普遍共同祖先(LUCA，或称为祖细胞)的概念是研究早期生命进化和起源的核心，然而我们人类对LUCA如何以及在哪里生活的信息到现在依然非常匮乏。地球上生命的共同祖细胞到底是什么一直是一个非常令人困惑和着迷的问题。初级生命在原生汤中经过激烈的生存竞争，最后出现了一个被称为LUCA的细胞，而这个细胞也非常成功，它在竞争中战胜了所有的对手，成为后来所有细胞的祖先LUCA。所以对LUCA的理解影响了人类对地球生命早期进化的理解，到底它是一个简单的还是复杂的有机体?它什么时候出现，又生活在什么样的环境中?

图1 祖细胞LUCA的想象图

地球生物最后共同祖先的存在当然是基于现有生物细胞所表现的生物数据的一个科学推测。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，而且生物细胞中几乎通用的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等，这些一致的生物学特征都可以证明，现存的所有细胞都应该来自一个共同的祖先：祖细胞(LUCA)，它是生命之树上最底层的一个节点，从这个节点开始原始的原核生物域(古生菌和细菌)开始产生分化(图2）。

生命祖细胞(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，许多人认为LUCA不过是一种有机分子的原始组合物，是一种化学汤，后来才逐渐进化形成了更复杂的细胞形式；有些人甚至争论LUCA到底是不是一个细胞。现在，科学家们经过多年对曾经被严重忽视的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。围绕着LUCA的大多数争论往往是基于不同的支撑数据和研究方法所产生的。我们的细胞中的许多基因是在数十亿年前进化而来的，其中一些基因可以追溯到所有生命最后的共同祖先。所以通过寻找几乎所有现存细胞所共有的基因，可以基本确定至少有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(参考文献：Nat Microbiol 1, 16116, 2016)。

图2 组细胞产生和分化的生命树

首先，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。科学家通过共同的遗传密码，即所有生物都具有某些几乎相同的遗传密码，特别是不同的物种中保留的特定基因表明LUCA是遗传这些必须基因的来源，通过这种遗传密码的追溯来推断祖细胞的年代。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(Nat Microbiol 1, 16116, 2016)。

系统发育的相容性研究表明LUCA的基因组至少具有2.5 Mb (2.49-2.99 Mb)的规模，它可以编码约2600种蛋白质，与现代原核生物相当。研究表明LUCA是一种具有早期免疫系统的原核生物级厌氧乙酸类细菌。所以LUCA可能生活在厌氧的环境中，因为那时的地球上氧气缺乏。其次LUCA可能生活在高温环境中，例如在海底热液喷口处，这在地球早期历史中是很常见的环境。虽然LUCA有时被认为是孤立生活的生物形态，但也有证据表明LUCA是一个已建立的古生物生态系统的一部分，所以LUCA的代谢可能为其他微生物群落成员提供了一个生态位，大气光化学的氢循环可能支持了一个有适度生物产物的早期生态系统。科学家们认为在38亿年前，在地球历史的早期阶段，地球的环境与今天大不相同：大气缺乏氧气，火山活动频繁。在这种极端的生存条件下，地球环境制造了所有现存生命最近的祖细胞LUCA，尽管这种单细胞生物的形态很简陋，但它却是地球上物种多样性的起点，最终是它才导致了地球上现存以及灭绝的所有生命形式。

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。

其次，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。而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(Autotrophic hypothesis):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。因此，很多人认为它可能长期生活在深海热液喷口附近，该环境可以提供必要的维持生命物质及合成的能量；(2)异养假说(Heterotrophic hypothesis):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，所以组细胞的生命形式更为简单。

图4 祖细胞的假想结构图

在生物代谢方面，基因的研究同样能发挥重要作用，通过研究现代生物体的核糖体RNA (rRNA)序列，研究人员可以收集有关LUCA整体性质和代谢特征的线索。这些线索不仅可以帮助构建“生命之树”来说明不同生命形式之间的关系，而且可以推测LUCA的关键特征:如它是单细胞的生命形式，其遗传物质分散在整个细胞中；它可能生活在高温的水生环境中，所以它在DNA出现之前普遍使用RNA作为其主要的遗传物质等等。有趣的是，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

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: (1) 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；(2) 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。首先LUCA具有合成一氧化碳脱氢酶的基因，一氧化碳脱氢酶可以将二氧化碳还原成一氧化碳和羟基为基础物的甲基集团，再利用乙酰辅酶A合成酶将一氧化碳和甲基集团结合产生乙酰辅酶A。糖、脂肪、蛋白质三大营养物质通过乙酰辅酶A汇聚成一条共同的代谢通路(代谢产物)，而且乙酰辅酶A是合成脂肪酸、酮体等能源物质的前体物质，也是合成胆固醇及其衍生物等生理活性物质的前体物质；(3) 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

总之，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(如图6所示)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。