探索生命起源之谜的新方法和新发现

科学或许能让我们在太空旅行、追溯整个宇宙的历史,但它却还无法确切地告诉我们,生命是如何以及何时在我们的地球上首次出现的。一般来说,科学家会使用化石记录来试图寻找...


科学或许能让我们在太空旅行、追溯整个宇宙的历史,但它却还无法确切地告诉我们,生命是如何以及何时在我们的地球上首次出现的。一般来说,科学家会使用化石记录来试图寻找这些问题的答案。然而,正如古生物学家们都知道的那样,随着往回追溯的时间越来越久远,化石也越来越难以找到。

事实上,我们并没有足够多的早于25亿年之前的化石以供研究。这是由于地球有自己的岩石循环系统,旧的岩石会经过风化过程而遭到破坏,余下的则会被循环变成新的岩石。这就导致了我们已有的岩石,都从它们的原始构成中进行过高度的重新加工。一般说来,它们根本不再包含任何生物残留物。即使有时能发现一些罕见的存有生命的化石,它们也大多难以识别,并且很难将它们与任何一种特定的现代生物体联系在一起。

在一项发表于《自然-生态学与进化》上的新研究中,我们决定尝试用一种新的方法来构建生命的时间线。我们利用了现有的丰富的物基因数据,还使用了一种名为分子钟的技术,这种技术能通过阅读写在生物体基因中的故事来解读过去。

所有的生命都会从上一代中遗传基因信息,随着进化事件的发生,这些信息会随着时间的推移而逐渐改变。这一方法学的工作原理是基于两类现存的物种的基因组差异(例如如人类和细菌)而成的,这种差异的积累方式大致与它们拥有共同祖先的时长成正比。化石在这种方法中仍因作为计算共同祖先年龄的粗略指南而扮演着重要角色,分子钟会被用来对这些估算进行更新。

新的研究结合了一共来自102个生物体的29个基因的分子数据,同时我们还使用了9块化石作为校准用的参照。这些生物体包括细菌古菌(单细胞微生物)和真核生物(植物和动物等多细胞生物)。

将化石包含在这一过程之内对分析来说是至关重要的,因为它们有助于实时地将事件联系起来。化石能告诉我们,一个谱系的存在一定比它的化石年龄更早。这是重建生命早期的最重要的方法,因为能够供科学家分析的化石量实在太少了。然而到目前为止,这恰恰是这种方法应用得最少的地方。

○  新研究表明,图中右侧纵轴所列的真细菌、真核生物、古细菌类(自上而下)的共同祖先的出现时间,或许早于后期重轰炸期(Late heavy bombardment)。| 图片来源:布里斯托大学

值得一提的是,论文中阐述的关于生命起源和进化的时间线的结果,在每个节点(即在生命之树中物种有共同祖先的地方)的年龄估算上都存在相当大的不确定性。这种情况对于生命之树中的最古老的部分,以及我们拥有最少数据的部分(无论是化石还是分子)来说尤为如此。

然而,我们能捕捉到这种不确定性却同时也是一件好事,因为它表明结果中的时间线并没有过度自信地显示精确地年龄,而是显示了它的不准确性。这意味着随着新的现存的谱系和化石不断被发现,它们可以被不断得添加到分析中,从而对其进行精炼与更新,从而使得在未来或许能出现更高的精确度。

我们发现,这种认为地球上的所有生命都起源于非常早期的某个单细胞的假设,即所谓的“最后的共同祖先”,存在于“后期重轰炸期”之前。这一时期大约发生在39亿年前,那时地球持续遭遇剧烈的流星撞击。这远远早于从目前确认的最古老的化石证据中所估算出的约35 - 38亿年前的结果。

已确认的最古老化石年龄大约为34亿年,而在格陵兰岛发现的潜在最古老化石,可以追溯到38亿年前。还有一种说法认为,在一种有41亿年历史的名为锆石的矿物中发现的碳,或许是生物性的。可惜的是,到目前为止科学家还无法证实这一点。

有些研究人员认为,生命不可能在后期重轰炸期中存活下来,因此我们最古老的祖先必定出现在这一阶段之后。有断言称,这一事件会杀死所有的植物,并让周围所有的水都蒸发。然而最近有一些数学模型表明,即便如此,也仍可能有适合生命的环境存在。

我们发现,细菌和古菌这两种主要的生命谱系,几乎出现于最后一个共同祖先的10亿年之后。另一方面,在地球历史中,真核生物分化得相对较晚,大约在18亿年前。这一发现与先前的研究一致。

我们的时间线结果也得以让我们对一些古老的事件进行研究,比如线粒体的内共生——这是形成线粒体(为细胞呼吸系统提供动力的细胞器)的过程。在真核生物的历史上,这一重大事件的发生与它们的首次出现非常接近,表明这有助于推动它们随后的快速传播。

我们希望,新的研究将会成为探求地球历史的极早时期的进化奥秘的绝佳起点。