生物最后的共同祖先生活在42億年前

　　不同微生物的基因組指向了一個初級免疫系統的早期進化

　　所有生物共有的最后一個祖先是一種生活在42億年前的微生物，其基因組相當龐大，編碼約2600種蛋白質，以氫氣和二氧化碳為食，并擁有一個抵御病毒入侵的基本免疫系統。

　　一種可能在早期地球淺水區繁衍生息的復雜微生物，可能是今天所有生命的最后一個共同祖先。圖片來源：MARK GARLICK/SCIENCE SOURCE

　　這是7月12日發表于《自然-生態與進化》的一項新研究的結論。該研究比較了700種不同現代微生物的基因組，以尋找共性，從而確定哪些特征是首先出現的。盡管該研究沒有揭示生命是如何開始的，但它表明，在地球形成后的幾億年里，一種與現代微生物相似的復雜細胞生物進化了出來。

　　“我非常興奮。”美國威斯康星大學麥迪遜分校的進化生物學家Betül Ka?ar說，“這是一個全面的分析，也是一個很好的例子。”

　　這并不是科學家第一次試圖勾勒出所有物種在分化之前的最后一個共同祖先（LUCA）的身份。例如，2016年，由德國杜塞爾多夫大學的進化生物學家William Martin領導的研究比較了已知的微生物基因組，提供了迄今為止最令人信服的遺傳證據，表明LUCA可能是一種厭氧菌，生長在當今大多數細胞所需的缺氧環境中。Martin的基因分析還發現了證據，表明它是一種以氫氣為食的嗜熱微生物，可能生活在海底火山口附近。

　　Martin團隊在2016年的研究中沒有試圖給出LUCA 的日期，但其他研究將LUCA 的存在時間定在38億年前。對于新的LUCA研究，英國布里斯托爾大學的基因組學專家Edmund Moody開發了一種方法，旨在更精確預測LUCA存在的時間。

　　一種常見的方法依賴于微生物物種中不同但已知的基因突變率，以及它們之間基因轉移的速度，從而創造一種分子鐘。通過構建家譜，找出哪些生物可能是從其他生物進化而來的，并追蹤保守基因的遺傳變化，研究人員可以大致估計出兩個相鄰分支的分化時間，從而確定它們共同祖先的年齡。

　　Moody和同事進一步研究了在多種細菌和古細菌中發現的5組“平行”或重復的基因，表明這種加倍發生在LUCA分裂成這些后代之前。Moody說，追蹤一個突變是發生在這些基因的兩個拷貝上，還是只發生在一個拷貝上，可以更容易地確定它們復制的時間，從而確定LUCA的年齡。

　　他們的分析表明，LUCA生活在大約42億年前。沒有參與這項研究的美國卡爾頓學院的進化微生物學家Rika Anderson說：“這可能比其他估計要早一點，但并不多。”

　　為了像Moody一樣探索LUCA的生活方式，Moody的研究小組追蹤了350種細菌和350種古細菌的57個“標記”基因，以構建一棵生命之樹。Moody團隊分別追蹤了這些細菌和古生菌中所有可用基因的個體基因和基因家族的進化模式，這些基因被編目在一個常用的基因組數據庫中。通過比較個體基因與物種基因的進化史，他們可以更好地確定哪些基因被復制、丟失或經歷了水平基因轉移。由此，他們可以推斷出LUCA中存在的物質。

　　正如Martin所發現的那樣，英國研究小組的分析表明，LUCA以二氧化碳和氫氣為燃料。但他們也發現了證據，表明LUCA有一種基因可以保護它免受紫外線的傷害，這表明這種微生物可能生活在地表水中，在那里它可以從大氣中捕獲二氧化碳和氫氣，而不是生活在深海火山口。盡管如此，像Martin一樣，他們發現了一種被稱為逆轉錄酶的酶的特征，這種酶通常存在于嗜熱菌中，他們承認這意味著LUCA也可能在這些噴口周圍繁殖。

　　Moody還發現，LUCA可能有19個CRISPR-Cas9基因，這是現代細菌用來切割病毒入侵者遺傳物質的裝置。這讓Ka?ar興奮不已，因為它暗示了很久以前一個由微生物和病原體組成的繁榮生態系統。Anderson同樣充滿熱情，他指出CRISPR-Cas9系統“有點復雜”。這意味著在短短數億年內，早期生命就進化出了復雜的微生物，這些微生物相互作用迅速形成了一個簡單的生態系統。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1