惊人发现：生命起源于热液环境

　　2016年07月29日讯 现代科学的一个最大奥秘就是：生命是如何开始的？大多数科学家认为，所有的生命形式，都是从一个共同的原始祖先微生物进化而来的，但细节却是模糊的。什么样的基因形成了这种生命体，它居住哪里？近期，发表在《Nature Microbiology》的一项新研究，揭示了这个早期的有机体以及它进化的环境。

　　对生命起源感兴趣的实验科学家一般用两种不同的方法来解决问题。一种方式是“自底向上”的方法，他们试图想象早期的生命如何出现，然后尝试在实验室中重建关键的步骤。另一种方法是“自顶向下”的方法，是分析或拆开现代细胞，以简化它们，并推导出复杂进化过程中可能发生的的关键阶段。

　　对这个问题感兴趣的信息学家利用DNA测序革命中新兴的大量数据。这带来了一个关于生物基因组的信息海洋--从细菌到人类。隐藏在这里面的应该是来自原始细胞的DNA序列的回音--地球上第一个使用现代遗传密码的细胞，通过数十亿个世代传递到了现在。

　　“最后一个普遍的共同祖先”是一个非常早期的假设，认为地球上所有的生命都来自于单细胞。这个祖先和现代生物之间的关系，通常是以进化树的形式显现的，其中最著名的例子是Charles Darwin进化树。

　　DNA测序的出现为遗传相关性提供了一种精彩的、高度定量的测量，超越了整个生物学。地球上几乎所有的生物都利用相同的四碱基代码A、C、G和T。因此，一般而言，我们可以用它来构建整个生命的进化树。我们知道，某些基因，如编码核糖体小RNA亚基的基因，存在于地球上细胞生命的开端，似乎已被所有后来的生命形式继承。在过去的四十亿年中，这个特定的基因--16S rRNA的拷贝，已经逐渐被独立进化分支（已经产生了不同的生命形式）中的随机突变而改变。这意味着，每一个物种的特征序列，都与近期分化的生物谱系相同，但是却与进化早期分化出来的谱系不同。

　　大约30年前，对这些“万能”DNA序列的分析，使我们对地球生命多样性的认识有了戏剧性的变化，尤其是无核单细胞生物（原核生物）惊人的多样性程度。这也强调，存在一个巨大的原核生命的新“领域”，现在被称为古细菌。

　　研究人员试图构建真正通用的进化树，将定义所有的现代细胞是如何起源于这最后一个共同祖先，但是受到了一些技术问题的阻碍。一个问题在于，生命最初开始时彼此分离的群体的绝对数量。此外，细菌也可能互相交换基因，这使得我们很难确定它们是如何被传递下去的。

　　在新的研究中，研究人员应用一种复杂的先进方法，将一些测序的原核基因进行聚类。然后他们研究了所有细菌群体的相似模式，发现一小部分的基因存在于古细菌和细菌中。他们表明，这些基因真的很可能是直接起源于一个共同的祖先，而不是通过横向交换的方式。

　　这一结果很重要，因为它确定了特定的细菌（梭状芽胞杆菌）和古细菌（产甲烷菌）类群，它们携带这些基因的早期版本，这意味着它们是非常古老的，可能类似于最早产生不同细菌和古细菌谱系的生物。

　　更重要的是，保守的基因的性质，讲述了一个惊人的故事，这最后一个共同祖先活在这种环境中，并讲述了它如何提取能量用以生存和茁壮成长。这项研究表明，近四十亿年前，这些生物所居住的世界与我们现在生活的世界是非常不同的。没有可用的氧气，但根据基因，这一共同的祖先可能从氢气中获得能量，大概是由地球地壳中的地球化学活动产生的。“惰性”气体包括二氧化碳和氮气，将为制造所有的细胞结构提供了关键的基础。铁是自由可用的，没有氧气将其转化为不溶性的锈，所以这种元素被早期细胞中的许多酶所使用。一些基因被认为参与了高温适应性，这表明这些生物体在一种热液环境中进化--也许相当于现代热液喷口或温泉，在那里有一些细菌仍然茁壮成长。

　　可悲的是，我们没有一台时间机器，所以就没有办法直接验证这些结果。然而，现在这些信息将引起人们极大的兴趣，尤其是有些科学家，希望利用这些信息来告诉他们自下而上的实验，重建现代形式的原始生命。但是，这将是非常难的，因为对高温、氮气、二氧化碳和爆炸性氢气的要求。