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探寻生命之母:是古菌、细菌还是真核生物

时间:2005-09-15 09:28来源:千龙网 作者:bioguider 阅读:

  科学家认为,地球上的所有生物———从人类到细菌,从蓝铃花到蓝鲸———都源自同一种实体,一种30亿年或40亿年前漂浮在“原始汤”周围的原胞。这种实体是什么样子呢?它又是如何生活,以及生活在哪里呢?科学家正一步步为我们解开这些谜团。

  这种实体被称为“露卡(LUCA)”,

也就是“第一个基本的共同祖先”之意,它没有留下任何已知的化石,也没有其他物理线索可揭示其身份。然而,探究所有生命共同祖先的研究最终还是复苏。研究人员正通过比较所有生命体的基因,画出所有生命共同祖先的“肖像”。他们的研究结果颇具争议,而且也对人们以往形成的有关原始生命的一些最基本想象构成了挑战。

  最早的生命实体“露卡”是细菌、古菌,还是真核生物?

  据《新科学家》报道,最早的生命实体应该是一种具有自我复制能力的分子,据认为可能出现在大约43亿年前。它或许是逐渐进化成多种原生细胞的。那么“露卡”又是什么样子的呢?

  最早揭示“露卡”排列的科学家是伊利诺斯大学分子生物学家卡尔·渥斯。20世纪60年代末,渥斯发明了一种通过比较在核糖体中发现的RNA小节序列来测量物种间关系的方法。假设基因突变会随着时间的推移自然增长,两种物种的排序越是完全不同,它们分离的时间就越久。

  渥斯就此进行了长达十多年的研究,并对生物学家们有关生命的分类进行了重新定义,这将对探索“露卡”的努力产生重要影响。以前,生命形式在最基本的水平被分成两个生物类群:真核生物和原核生物。真核生物包括所有的动植物、真菌类和单细胞细菌(如酵母)。原核生物的特点是缺乏一个核细胞膜以及没有组织成染色体的脱氧核糖核酸。

  渥斯发现在原核生物中实际上有第三种类型生物:古菌。尽管古菌与细菌在许多方面相似,但缺乏定义的肽脂糖,并且只具有几个真核细胞的特性。自此后,科学家采用一种新的分类系统,将生物分为三个域:古菌、细菌和真核生物。然而,渥斯的早期成果没有对一个重要问题做出解答:这三个域是以何种顺序进化而来?换句话说,“露卡”是细菌,还是古菌,或是真核生物?20世纪80年代,科学家对核糖体RNA所进行的进一步比较表明,细菌是最古老的域。尽管随后对其它基因的分析产生一些不一致的结果,但上述说法一直占主要地位。

  法国巴黎大学的一个教授认为“露卡”就是真核生物。

  并不是所有人都同意这一观点。法国巴黎大学的帕特里克·福特勒教授就是其中一位主要反对者。他认为,这种基因分析方法本身存在一个重大缺陷:没有将不同域的突变的不同速度考虑进去。所以,细菌等一些进化速度更快的直系后代看上去比实际要“老成”。细菌通常被认为比真核细胞更原始,因为它们更简单。但福特勒教授指出,尽管真核生物更复杂,它们也充斥着原始结构。例如,真核生物染色体包括成串线状DNA,这需要一种称为端粒的分子来保护其末梢在复制过程中不受损坏。细菌染色体是环状,所以不需要端粒来保护。

  真核生物基因还包括基因内区。细菌缺乏基因内区,因此它们确实不需要剪接体。与真核生物相比,细菌圆滑,在制造蛋白质方面效率更高。它们可以在几秒钟内就启动蛋白质合成道路上的第一步。而同样的生物进程真核生物需要半个小时。福特勒教授认为,细菌或许最近进化得比较多,事实上,“露卡”就是真核生物。

  一种揭示“露卡”身份的不同方法来自于20世纪90年代完成的首批基因组排序计划。这使得研究人员能列出所有生命形式共同的基因。但令人吃惊的是,“生命树”所有的基因数量结果却相当少。例如,最新一项研究对100个物种进行了比较,结果只发现60个基因是普遍存在的。这种分析揭示的仅仅是哪些基因是原始的,而与这些基因“落户”的物种没有关系。由此科学家们意识到,基因可能在不同的物种间进行转移。

  基因平行转移是比较基因组序列得到的一个令人震惊的结果。这显然与达尔文进化论相冲突,因为达尔文的进化论认为,在生命的进化树系统中,遗传物质只能是一代代垂直地进行传递(即基因垂直转移)。基因平行转移似乎在早期进化中发挥着重要作用。因此,有生命物种就是具有不同进化历史基因的嵌合体。

  最早的生物是超耐温菌,“露卡”是否属于嗜热生物。

  我们能从“露卡”可能的生存环境中得到线索吗?一些根据比较基因所绘制的系谱表明,最早的生物是超耐温菌(生活在80摄氏度以上的有机物)。这说明“露卡”也是这样的生物,或许生活在深海的地热口附近。地热所蕴涵的矿物质向当时缺乏氧气的地球提供能源。

  该理论的缺点是,处于温度极高环境的生命需要特殊的酶才能保护其RNA和DNA免受损伤。在进化能令其逐渐靠近高温地区的特殊酶之前,更为简单的生命形式最初更有可能来自于温度适宜的环境。而且最新研究也进一步削弱了超耐温菌是第一个出现在地球上的生命形式的说法。科学家于2000年所进行的研究表明,旋转酶直到三个域分裂后才进化而来,这种能增强DNA抗热损伤的酶只在超耐温菌中存在。

  对“露卡”是嗜热生物理论的一个更为直接的挑战来自于法国巴黎皮埃尔·居里大学两位进化生物学家塞林纳·布罗切和赫尔夫·菲利普的最新研究。他们指出,以前对核糖体RNA的研究存在缺陷,因为它包括快速进化的基因物质,而这些物质更有可能已失去有用的历史信息。相反,两位进化生物学家将注意力集中在核糖体RNA进化速度更慢的部分。2002年,他们公开的进化树显示,最古老的生物是一种只生活在温度适宜地区的称为浮霉状菌目的另一细菌类群。这些生物在胞壁上没有肽聚糖,染色体上包着细胞膜。

  也有一些科学家对“露卡”是否真正存在产生怀疑。

  伊利诺斯大学分子生物学家卡尔·渥斯最近开始对“露卡”是否真正存在产生怀疑。他认为,所有生命最后的共同祖先不是单个有机体,而是不同的基因平行转移的原胞群落。渥斯表示,最早的膜结合细胞可能非常简单,由几个基本成分构成,这些成分均能独立发挥作用。基因平行转移是当时生命进化的主要动力,而不是达尔文进化论提出的垂直遗传。随着细胞变得越来越复杂,最初随意获得的单个成分就不能如此轻易地进行结合。此时(渥斯称之为达尔文极限),基因组开始取决于遗传,具有不同特征的直系后代开始出现。北京科技报 供稿

(责任编辑:泉水)
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