LUCA之前

地球上的所有生命都有一個(gè)大約生活在40億年前的共同祖先。這個(gè)所謂的“所有生物物種的最后共同祖先”（LUCA）是科學(xué)家能夠研究的最古老生物。

先前關(guān)于LUCA的研究發(fā)現(xiàn)，我們今天在生物體中看到的所有特征——比如擁有細(xì)胞膜和DNA基因組——在這一祖先所處的時(shí)代就已經(jīng)存在了。因此，如果我們想理解生命的這些基本特征最初是如何出現(xiàn)的，就需要能夠研究發(fā)生在LUCA之前的進(jìn)化史。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《細(xì)胞·基因組學(xué)》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種恰好能夠做到這一點(diǎn)的方法。研究人員指出：雖然LUCA是我們能夠用進(jìn)化方法研究的最古老生物，但它基因組中的一些基因要古老得多。基于這一點(diǎn)，他們將目光投向一類被稱為“通用橫向同源物”（universal paralog）的基因家族——它們?yōu)榘l(fā)生在LUCA之前的進(jìn)化事件提供了證據(jù)。

通用橫向同源物

橫向同源物（paralog）是指在同一基因組中擁有多個(gè)成員的一類基因家族。比如，在我們自己的基因組中，就有八種版本的血紅蛋白基因，它們編碼能夠與氧結(jié)合并將氧通過血液運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)。

所有這些橫向同源物都源自一個(gè)古老的珠蛋白（globin）基因——大約8億年前，它還以單一拷貝的形式存在。這些橫向同源物基因是由該基因在DNA復(fù)制錯(cuò)誤中反復(fù)發(fā)生復(fù)制而產(chǎn)生的，而后每個(gè)拷貝在數(shù)百萬年的時(shí)間里又進(jìn)化出各自不同的特征。

通用橫向同源物是一種罕見而特殊的橫向同源物：在如今所有或幾乎所有生物體的基因組中，它們至少都有兩個(gè)拷貝。如此廣泛的存在表明，某個(gè)原始基因發(fā)生復(fù)制這一事件，必然發(fā)生在LUCA之前，并且其多個(gè)拷貝由其后代繼承下來，一直延續(xù)到今天。

出于這個(gè)原因，研究人員認(rèn)為通用橫向同源物為理解地球生命的最早期歷史提供了一個(gè)不可或缺、但尚未得到充分利用的研究對(duì)象。

最早的蛋白質(zhì)生產(chǎn)與跨膜運(yùn)輸

在新的研究中，研究人員梳理了所有已知的通用橫向同源物。它們都與蛋白質(zhì)的生成，或不同分子跨細(xì)胞膜的運(yùn)輸有關(guān)。因此，細(xì)胞的這兩項(xiàng)特征很可能是生命最早進(jìn)化出的特征之一。

研究人員還建議對(duì)這些遠(yuǎn)古的祖先基因本身作出更深入的描述。比如，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中研究了一個(gè)通用橫向同源物基因家族，該家族負(fù)責(zé)將酶和其他蛋白質(zhì)嵌入細(xì)胞膜。利用進(jìn)化生物學(xué)與計(jì)算生物學(xué)的常用技術(shù)，他們重建了這一蛋白質(zhì)家族的原始祖先所編碼的蛋白質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，這種更簡(jiǎn)單、更古老的蛋白質(zhì)版本仍然能夠執(zhí)行諸如與膜結(jié)合，以及與蛋白質(zhì)合成機(jī)器結(jié)合等功能，并且可能曾幫助一些簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)把自己“嵌入”早期細(xì)胞膜之中。

研究人員認(rèn)為，雖然目前已知的通用橫向同源物少之又少，但它們能提供大量信息，來幫助科學(xué)家了解在LUCA出現(xiàn)之前，生命是什么樣子。這些通用橫向同源物的歷史，是我們將來對(duì)這些最早細(xì)胞譜系所能擁有的唯一信息，因此我們需要謹(jǐn)慎地從中盡可能提取更多知識(shí)。

最終，他們希望日益精密的計(jì)算工具將使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)新的通用橫向同源物基因家族，并以更高的細(xì)節(jié)來描述它們的遠(yuǎn)古祖先。

最深的未知變成可檢驗(yàn)的假說

這項(xiàng)新的研究表明，通過追蹤通用橫向同源物，研究人員可以把地球上最早的生命步驟與現(xiàn)代科學(xué)工具連接起來。它們?yōu)榭茖W(xué)研究提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，將進(jìn)化與生物學(xué)中最深層的未知轉(zhuǎn)化為實(shí)際上可被檢驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)。

研究人員設(shè)想能夠?yàn)長(zhǎng)UCA之前的進(jìn)化過程描繪出一幅更細(xì)致圖景，看看在那個(gè)我們所熟知的生命才剛剛出現(xiàn)的時(shí)期，究竟是什么樣的。

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1115050?

https://doi.org/10.1016/j.xgen.2026.101140

#圖片來源：

封面圖&首圖：TheDigitalArtist / Pixabay