2018-12-18 22:18:01
寻找最后的普遍共同祖先LUCA

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大约40亿年前,有一种叫做LUCA的微生物:最后的普遍共同祖先。有证据表明它可能过着某种“异化”的生活方式,隐藏在富含铁硫的热液喷口的深处。厌氧和自养,它不会呼吸空气,并从周围黑暗,富含金属的环境中自己制作食物。它的新陈代谢依赖于氢,二氧化碳和氮,将它们转化为有机化合物,如氨。最值得注意的是,这种微小的微生物是一个包含地球上所有生命的长谱系的开始。

如果我们追溯到生命之树足够远的时间,我们会发现我们都与LUCA有关。如果我们探索火星的战争呐喊是“跟随水”,那么在寻找LUCA时,它就是“跟随基因”。生命遗传树的研究揭示了生物的遗传关系和进化历史,被称为系统发育学。在过去的20年里,我们对基因组进行全面测序并建立庞大的遗传文库的技术能力使得系统发育学真正成熟,并教会了我们关于生命早期历史的深刻教训。

很长一段时间,人们认为生命之树形成了三个主要的分支或域,其中LUCA位于基地 - 真核生物,细菌和古细菌。后两者 - 原核生物 - 在单细胞和缺乏细胞核方面具有相似之处,并且通过微妙的化学和代谢差异彼此区分。另一方面,真核生物是由膜包裹的细胞组成的复杂的多细胞生命形式,每个细胞包含含有遗传密码的细胞核以及为细胞代谢提供动力的线粒体“细胞器”。人们认为真核生物与其他两个分支根本不同,因为它们必然占据着自己的领域。

然而,出现了一幅新的图片,将真核生物作为细菌和古细菌的分支。 1984年,加州大学洛杉矶分校的进化生物学家吉姆·莱克首次假设这种“双域树”,但在过去的十年里才得到了立足点,特别是由于进化分子生物学家Martin Embley及其在纽卡斯尔大学的实验室所做的工作。 ,英国,以及德国杜塞尔多夫Heinrich Heine大学的进化生物学家William Martin。

Bill Martin和他的六位杜塞尔多夫同事(Madeline Weiss,Filipa Sousa,Natalia Mrnjavac,Sinje Neukirchen,Mayo Roettger和Shijulal Nelson-Sathi)在Nature Nature Microbiology期刊上发表了2016年论文,描述了LUCA和双域树的这一新视角与系统发育学。

古代基因

先前对LUCA的研究寻找在所有基因组中发现的常见通用基因,基于如果所有生命都具有这些基因的假设,则这些基因必须来自LUCA。这种方法已经确定了大约30个属于LUCA的基因,但它们还不足以告诉我们它是如何或在何处生活的。另一种策略涉及搜索存在于两个原核生物结构域,古细菌和细菌中的每一个的至少一个成员中的基因。这种方法已经确定了11,000个可能属于LUCA的共同基因,但它们都做得很好看:有了这么多基因,LUCA比任何现代细胞都能做得更多。

比尔·马丁和他的团队意识到,一种被称为侧向基因转移(LGT)的现象通过对这11,000个基因中的大多数基因的存在负责而使水变得混乱。 LGT涉及通过多种过程在物种之间甚至跨域转移基因,例如病毒的传播或当细胞置于某种压力下时可能发生的同源重组。

不断增长的细菌或古细菌可以通过将新基因“重新组合”到其DNA链中来从周围环境中获取基因。这种新采用的DNA通常与已存在的DNA密切相关,但有时新的DNA可能来自更远的关系。在40亿年的过程中,基因可以移动很多,覆盖了LUCA的大部分原始遗传信号。在古细菌和细菌中发现的基因可以通过LGT分享,因此不一定起源于LUCA。

知道了这一点,马丁的团队在寻找“古老”的基因,这些基因具有特别长的谱系但似乎并没有被LGT所共享,因为假设这些古老的基因应该来自LUCA。他们为基因被认为起源于LUCA奠定了条件。为了切割,古老的基因不能被LGT移动,它必须存在于至少两组古菌和两组细菌中。

“虽然我们正在查看数据,但我们有鸡皮疙瘩,因为它指向一个非常具体的方向,”马丁说。

一旦他们完成了他们的分析,比尔马丁的团队只留下了原来的11,000个基因中的355个基因,他们认为这些基本属于LUCA,可以告诉我们LUCA如何生活。

当然,如此少量的基因不会像我们所知的那样支持生命,批评者立即抓住这种明显的基因短缺,指出例如能够进行核苷酸和氨基酸生物合成的必需成分缺失。 “我们甚至没有一个完整的核糖体,”马丁承认道。

然而,他们的方法要求他们省略所有经历过LGT的基因,因此经过LGT的核糖体蛋白质,它不会被列入LUCA的基因列表。他们还推测LUCA可以通过在环境中使用分子来填补缺乏基因的功能,例如可以合成氨基酸的分子。毕竟,马丁说,在生命进化的早期阶段,生物化学仍然是原始的,所有关于生命起源和第一个细胞的理论都将环境中的化学合成纳入其中。

这355个基因告诉我们的是LUCA生活在热液喷口中。杜塞尔多夫团队的分析表明,LUCA使用分子氢作为能源。热液喷口内的蛇纹石化可产生大量的分子氢。此外,LUCA含有一种基因,用于制造一种叫做“反转旋转酶”的酶,现在发现存在于包括热液喷口在内的高温环境中的极端微生物。

双域树

专注于真核生物进化研究的Martin Embley表示,过去十年中双域树的实现,包括威廉·马丁推动该理论的工作,已经是一个“突破”,对我们如何看待具有深远的影响。早期生活的演变。 “生命的双域生命树,其中基底分裂在古细菌和细菌之间,现在是最好的支持假设,”他说。

人们普遍认为,第一个古细菌和细菌可能是梭菌(厌氧菌不耐氧)和产甲烷菌,因为今天的现代版本与LUCA具有许多相同的特性。这些性质包括类似的核心生理学和对氢,二氧化碳,氮和过渡金属的依赖性(这些金属通过将未填充的电子壳与碳和氮杂化而提供催化作用)。然而,一个主要问题仍然存在:第一个真核生物是什么样的,它们在哪里适合生命之树?

系统发育学表明,真核生物通过内共生过程进化而来,其中古菌宿主与共生体合并,在这种情况下是属于α蛋白细菌群的细菌。在产生真核生物发育的特殊共生中,细菌以某种方式在它们的古菌宿主中茁壮成长而不是被摧毁。因此,细菌不仅存在于古细菌中,而且还使它们的宿主变得更大并且含有越来越多的DNA。经过一段时间的进化,共生细菌逐渐演变成我们今天所知的线粒体,线粒体是一种小电池状细胞器,可为更复杂的真核细胞提供能量。因此,真核生物不是生命树的主要分支之一,而只是一个大的分支。

最近出现在自然界的一篇论文由瑞典乌普萨拉大学的Thijs Ettema领导的团队撰写,它更多地阐明了真核生物的进化。在位于北大西洋的热液喷口 - 以格陵兰岛,冰岛和挪威为中心,统称为Loki's Castle-他们发现了一个新的古生物门,他们恰当地命名为北欧神灵领域之后的“Asgard”超级门。超级门内的个体微生物物种以北欧神灵命名:Lokiarchaeota,Thorarchaeota,Odinarchaeota和Heimdallarchaeota。这个超级门代表了与真核生物最亲近的亲戚,而Ettema的假设是真核生物从大约20亿年前从这些古生物中的一个进化而来,或者是当前未被发现的兄弟。

关闭LUCA

如果能够确定真核生物的出现,甚至可以确定它们从它们进化而来的古细菌和细菌的种类,那么系统发育学也可以追溯到LUCA的开始并将它分成两个领域吗?

必须指出的是,LUCA不是生命的起源。最早的生命证据可以追溯到37亿年前的叠层石,这是由微生物沉积的沉积层。据推测,生命甚至可能在此之前就已存在。然而,LUCA的到来以及它在古生物和细菌中的演变可能发生在20到40亿年前的任何时候。

系统发育学有助于缩小范围,但Martin Embley并不确定我们的分析工具是否能够实现这一壮举。 “系统发育学的问题在于,通常用于进行系统发育分析的工具并不是非常复杂,足以应对分子进化在如此巨大的进化时间跨度上的复杂性,”他说。

Embley认为这就是为什么三域树假设持续了这么久 - 我们只是没有必要的工具来反驳它。然而,双域树的实现表明,现在正在开发更好的技术来应对这些挑战。

这些技术包括检查生物化学的方式,如在实验室中的生命起源实验中所执行的,可以与生物学中实际发生的事实相符。

对于英国伦敦大学学院的进化生物化学家Nick Lane来说,这是一个值得关注的问题。 “我认为从等式中遗漏的是一种生物学观点,”他说。 “制造有机[化合物]似乎很容易,但要让它们自发地自组织起来要困难得多,因此从化学家的角度来看,结构问题基本上已经缺失了。”

例如,Lane强调了实验室实验如何通过氰化物等化学品常规构建生命的构建块,或紫外线如何用作特殊能源,但没有已知的生命使用这些东西。虽然莱恩认为这是实验室生物化学与生物学现实之间的脱节,但他指出,威廉(比尔)马丁的工作正在通过对应于现实世界生物学和现实生活热液喷口中的条件来填补空白。 “这就是为什么比尔重建LUCA是如此令人兴奋,因为它产生了与现实世界生物学这种美丽,独立的联系,”莱恩说。

Martin Embley表示,生物化学部分来自地质学和其中可用于建立生命的材料。他认为系统发育学是找到答案的正确工具,引用Wood-Ljungdahl碳固定途径作为证据。

固碳包括将非有机碳转化为生命可以使用的有机碳化合物。弗莱堡大学的微生物学家Georg Fuchs已经有六种已知的固碳途径和工作进行了数十年的研究表明,Wood-Ljungdahl途径是所有途径中最古老的途径,因此也是最有可能的途径。 LUCA使用。事实上,Bill Martin团队的调查结果证实了这一点。

简单来说,由细菌和古细菌采用的Wood-Ljundahl途径始于氢气和二氧化碳,并且后者被视为生命可以使用的一氧化碳和甲酸。 “Wood-Ljungdahl路径指向碱性热液环境,它提供了所需的所有物质 - 结构,天然质子梯度,氢气和二氧化碳,”Martin说。 “它正在将地质背景与生物学场景相结合,而且最近才发现系统发育学能够支持这一点。”

天体生物学的影响

了解生命的起源和LUCA的身份不仅对于解释地球上的生命存在至关重要,而且也可能解释其他世界的存在。 LUCA所在的热液喷口在我们的太阳系中非常普遍。所需要的只是岩石,水和地球化学热。 “我认为,如果我们在其他地方找到生活,它将会看起来,至少在化学上,非常像现代生活,”马丁说。

拥有巨大的全球海洋环绕的岩石核心的卫星,顶部是厚厚的水冰覆盖,外太阳系。木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫二可能是最有名的,但有证据表明,暗示在土星的卫星土卫六和土卫五的地下海洋,以及矮行星冥王星和许多其他太阳系天体。不难想象这些地下海的地板上的热液喷口,其能量来自与其母行星的引力潮汐相互作用。太阳没有穿透冰面的事实并不重要 - 马丁描述的那种LUCA也不需要阳光。

“在我们的LUCA论文的天体生物学意义中,你不需要光,”马丁说。 “这是生命起源的化学能,运行第一个细胞的化学能和今天存在于土卫二等身上的化学能。”

因此,正在开发我们生命起源和LUCA存在的图片的发现提出了希望生活可以在诸如欧罗巴或土卫二等遥远地区的几乎相同的环境中轻易存在。现在我们知道了LUCA的生活方式,我们知道在未来的这些冰冷的卫星任务中需要注意的生命迹象。

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