我們是一棵小小的樹（我們是生命樹上的哪片葉子）

2023-05-31 09:07:46 1

一個新發現的古老微生物家族改變了生命樹，以及人類在其中的位置。

洛基（Loki）是挪威神話中法力無邊的魔法師，就連眾神也難以對付他。他住在一個神秘的城堡中，城堡周圍環境惡劣、妖氛瀰漫。這就怪不得，2008年一個研究小組在挪威海海底找到一組熱液噴口時，把那個地方命名為「洛基城堡」了，因為那裡同樣也是神秘而險惡的處所。

讓人沒想到的是，環境如此惡劣的洛基城堡裡生活著一些奇怪的微生物（被稱為「洛基菌」）。這些微生物很快在生物學界挑起事端。它們除了有助於揭示進化史上最大的謎團之一——複雜生命的起源，更重要的是，洛基菌的發現，重新引發了一場關於生命樹的大爭論：生命樹底部到底有幾個分支？

教科書上的三域生命樹

在生物學上，人們採用生命樹的形式來直觀描述各個物種的進化和相互之間的關係。生命樹從下到上，按物種出現的時間排列。由於所有地球生命都擁有共同的祖先，所以生命樹的根部就代表這個共同祖先，然後像樹一樣不斷往上長，長出一個個枝丫，大枝丫上又分出小枝丫，以此來代表各個物種。

教科書會告訴你，在35億年前，當細胞在地球上出現之後不久，生命就分化出三個分支。第一個是細菌。第二個是古細菌。古細菌跟細菌同樣簡單，但生活在某些極端惡劣的環境中。第三個分支叫真核生物。不同於細菌和古細菌，真核生物細胞內部已經含有較為複雜的結構。所有的動植物和真菌，都是從最早的真核生物進化來的。

這三個分支又叫「域」。教科書上的生命樹有三個域，為便於區別，我們不妨稱之為「三域生命樹」。

二域生命樹假說

不過，在洛基菌發現之前，人們就對這種描述產生了懷疑。早在1980年代，在義大利的硫磺溫泉中發現了一種叫「泉古菌」的古細菌。雖然名為古細菌，但它們似乎與真核細胞有著許多共同的特徵。

奇哉怪也！在那之前，古細菌和真核生物被認為是截然不同的生物。

這些相似之處表明，古細菌和真核生物在進化上存在著密切的聯繫。這導致美國生物學家詹姆斯˙萊克提出生命樹的另一個版本。他認為，地球生命最開始進化出兩大分支，或者說只有兩大域：細菌和古細菌。而真核生物只是古細菌的次一級分支。

這一說法與生物學家現在接受的鳥類是恐龍的進化分支大致相當。麻雀看起來可能不像恐龍，但嚴格說來它是恐龍的後代。同樣，莎士比亞或愛因斯坦似乎與生活在泥沼中的產烷菌（一種古細菌）沒有什麼共同點——但按萊克的說法，它們都屬於古細菌域。

很遺憾，萊克的二域生命樹假說當時一直沒引起人們的重視。

支持二域假說的新證據

10年前，這個假說引起英國生物學家馬丁·恩伯萊的興趣，他想尋找更多的證據。但對生命起源的研究所面臨的一個難題是，數十億年前存在的單細胞生命早已消亡，連痕跡都沒留下，所以只能研究當今的生物。

公平地說，通過研究當今的生物來重構發生在35億年前的進化事件並不容易。考慮到在不同域的生物體之間，DNA片段通常會發生水平遷移，而不單單是垂直的代系遺傳，這項任務變得尤為困難。

DNA片段的水平遷移是什麼意思？我們知道，遺傳物質一般都是從父代傳給子代，沿著代系垂直傳播。比如你身上的基因，就完全來自你的父母親。你雖然每天吃各種不同植物和動物，但它們的基因可不會跑到你的DNA上。但對於單細胞生物，遺傳物質不僅可以垂直傳播，還可以發生水平傳播。假如它們吞吃了別的微生物，偶爾也會發生這種情況：其他生物的基因被直接整合到它們自己的DNA上——這叫基因的水平遷移。

由於存在基因的水平遷移，你要想通過DNA追溯微生物的祖先，就變得複雜和困難了。但恩伯萊等人想出一個辦法。他們選擇了一些難以水平遷移的基因做研究。例如，有些酶對於某種微生物是如此重要，使得它無法輕易地將它的基因替換成其他微生物攜帶的基因；因此，負責製造這種酶的基因抵制水平遷移，只能來自代系的垂直遺傳。

恩伯萊和他的小組分析了現存的細菌、古細菌和真核生物中很難水平遷移的幾十個基因，以找出這三組基因之間的相互關係。

研究結果強烈支持萊克的二域假說。

小貼士：生物學上的分類

域是對生物最初級的分類，在它下面還可再細分為界、門、綱、目、科、屬、種。

以現代人為例，其屬於真核生物域，動物界，脊椎動物門，哺乳綱，靈長目，人科，人屬，智人種。

尋找過渡類型

對於學者來說，他們的眼光是很挑剔的。比如，之前已有大量證據表明鳥類和恐龍的淵源關係，但直到1990年代有羽恐龍化石的出現，才最終說服了那些不相信恐龍和鳥有聯繫的人。同樣，要想說服更多的人，二域學說的倡導者也需要找到在古細菌和真核生物之間起過渡作用的物種。雖然，洛基菌來得正是時候。

生物學家對從洛基城堡附近海底沉積物中採集來的DNA進行了測序。他們發現，這些DNA片段一部分是古細菌共有的，但也攜帶了幾十個我們先前認為是真核生物特有的基因。這幾十個基因中，有的能幫助真核生物在細胞內用膜隔離出小室，而我們知道，真核細胞的一個最顯著的特徵是有細胞核——細胞核就是用核膜隔離出來的一個小室。另一個重要發現是，有的基因幫助真核細胞吞噬較小微生物。許多生物學家認為，真核生物之所以變得龐大和複雜，是因為它們身上擁有一座「能量工廠」——線粒體。主流觀點認為，線粒體起源於遠古時代被真核生物吞噬的細菌。

這樣看來，洛基菌正是填補古細菌向真核生物進化的過渡類型。不過，這樣的過渡類型生物不只有洛基菌。自2015年以來，研究人員在世界各地，如羅馬尼亞的湖泊、澳大利亞的層疊石、紐西蘭的熱液噴口和美國的黃石國家公園，發現了更多類似洛基菌的微生物。包括洛基菌，它們被統稱為阿斯加德菌（阿斯加德是挪威神話中另一個神秘人物）。

面對這些證據，原先對雙域說持懷疑態度的研究人員也願意承認，洛基菌（更廣泛地說，是阿斯加德菌）與真核生物關係密切。但他們又產生另一種質疑：阿斯加德菌真的是一種古細菌嗎？也許它們只是外表上像古細菌，實際上卻是一個獨立的生物域呢（就像古細菌雖然與細菌外表上相似，卻分屬不同的域）？

培養活的阿斯加德菌

要回答這個質疑，需要培養一種活的阿斯加德菌，以便觀察它們的特徵和行為。因為之前，科學家並未見過一個活體，這些微生物都是通過DNA技術鑑定出來的。但在實驗室培養它們殊非易事，因為我們對它們生活習性缺乏了解。

儘管有著這樣的困難，好消息還是不期而至。2019年，日本一個小組宣布，他們已經分離並培養出一種從日本南部海底採集的阿斯加德菌。他們採用希臘神話而非挪威神話，將其命名為「普羅米修斯菌」。

在電子顯微鏡下，普羅米修斯菌有著長長的觸手。在遠古的時候，這些觸手可能讓它的祖先能夠將其他微生物攬入體內，使其變成自身的一個細胞器——線粒體，從而邁出向真核生物進化的第一步。研究還表明，普羅米修斯菌不能獨立生活，只能與其他微生物群落一起生長。這種密切的合作關係也可能導致普羅米修斯菌的祖先吞併其它的微生物。

不過，「阿斯加德菌到底算不算古細菌」這個問題目前依然難以回答。沒錯，沒有一種已知的古細菌有著像普羅米修斯菌那樣的長觸手，似乎可以下判斷：普羅米修斯菌不是古細菌。但問題是，普羅米修斯菌只是阿斯加德菌裡的一種，其他阿斯加德菌是不是也都長有觸手，我們不得而知。要想回答這個問題，還有賴於對更多阿斯加德菌的培養和觀察。

我們不妨設想一下未來的結果：假如阿斯加德菌是古細菌，那麼二域生命樹假說就沒什麼懸念了。這二域是細菌和古細菌，真核生物僅作為古細菌的進化分支。假如阿斯加德菌不屬於古細菌，那麼生命樹的三域說將依然成立，只不過此時舊瓶裡已裝了新酒，這三個域是：細菌、古細菌和阿斯加德菌，而真核生物將以阿斯加德菌的分支的形式出現在生命樹上。

不論是生命樹是二域還是三域，看來我們都要跟一群古怪的微生物（不論古細菌還是阿斯加德菌，都很古怪）合寫一本家譜了。因為我們就是這支古怪枝丫上的葉子。