生命之根—追寻共同祖先之梦

如果相信生命不会从无冒出，不是亘古永存，也不是被神创造，那生命就必定是发展与演化的产物，必定会经历从无机到有机世界、从简单到复杂的进化过程，无论有多么的久远，也不可能绕过一个具有个体性的*原始的生命形态的发展阶段，这就是人们假想的共同祖先……

光明的外表入不了我的浊眼，幸运近在咫尺—人们也看不见

—歌德（Johann Wolfgang Von Goethe，1749年—1832年）

生命是一种机制……即使将一个对象的一千个不同侧面的照片叠置起来，你也无法重建那个对象本身……分析会将有机体的创造过程分解成数目不断增长的物理化学现象，而化学家和生理学家自然除此之外，别无所求。但是，这并不意味着化学和生理学将理解生命的钥匙交给了我们

—伯格森（Henri Bergson，1859年—1941年）

顾名思义，共同祖先是指衍生出一群生物的祖先，它可以指一个特定的类群，也可以指地球上所有的生命。很多人认为，存在一个*后的普遍性的共同祖先，地球上现存的和已经灭绝的所有生物都是自它衍生而来，它被称为LUCA（the last universal common ancestor）或LUA（the last universal ancestor）。

本文将简要介绍对共同祖先的探寻，特别是基于16SrRNA或18S rRNA对系统进化树的构建。理论上来说，如果我们能得到一个准确而完整的进化之树，就可以追寻到共同祖先。这真的可能的吗？这是本文需要阐述的一个重点问题。

一、共同祖先

1.共同祖先的思想从何而来？

*原始的共同祖先思想是一种朴素唯物主义哲学思辨的产物，它可追溯至二千多年前的古希腊哲学家亚里士多德（表1）。它也是进化论推演的一个产物，在十九世纪博物学家和进化论的先驱达尔文那里得到了清晰的表述，即地球上的一切生物都源于一个共同的祖先。但是，为何这样的共同祖先得以诞生？在什么环境下？这个神秘的LUCA到底是什么呢？这些都还是未解之谜！

表1 关于共同祖先思想的早期历史

2.如何探寻共同祖先？

既然任何一种生物都有它的祖先，那我们就有可能一直追寻下去，直到找出LUCA。将这样的一种追寻过程描绘出来，就可得到一个像图1这样的生命的系统发生树（Phylogenetic tree）或演化树（evolutionary tree）。如果准确无误，就可根据这样的树状图找出具有共同祖先的各物种之间的亲缘与进化关系。在这样的图中，节点代表各分子的*近共同祖先，枝条长度表示进化距离。为了构建这样的系统发生树，人们必须遴选出一些关键的生命特征，还需借助于一系列的数学工具，如矩阵法、*大简约法、*大拟然法和后验概率法等。但是，无论特征如何恰当，也无论手段如何先进或复杂，对一个生存环境如此复杂而广阔、经历了几十亿年漫长的演化历程并且现在依然还栖息着数以百万计的生物物种（据估计这不过是地球上曾经存在过的物种总数的1%）的地球生命世界来说，任何这样的系统发生树也只不过是真实进化关系的一种概略性的推测或估计。

照理来讲，只要能够构建出可信的系统发育树，就意味着生命起源与进化的问题得到了解决。换言之，一个准确无误的包容了所有生物类群的生命之树（无论基于形态结构还是分子结构或其它生命特征）的构建就是共同祖先理论的*终实现。但是，实际情况如何呢？显然，这并非易事，因为至今还没有见到一个没有任何争议的公认的生命之树，当然，这样的生命之树或许永远都不可能**无暇。而对追逐生命起源的进化生物学家来说，如果能够完成进化之树的基部类群亲缘关系的准确构建，也就达到目标了。

遗憾的是，由于人们还不知晓生命起源的*初过程，导致现在人们虽然构建了生命的进化之树，但是在关于树的基部到底谁是共同祖先的问题上，依然留下了未解之谜。虽然在这样的进化树中，关于较为高等的真核生物的亲缘关系可能相对准确（因为还可以用化石证据或形态特征予以校正），但对原核生物（细菌和古菌）来说，只能停留于一些主观性猜测（准确与否根本无法验证），甚至连猜测都很困难！

二、朦胧的曙光—来自“神奇”的rRNA分子

1. 分子钟的概念

逻辑上来说，如果能找到一种生物体内普遍存在的分子，而且这种分子的变化十分缓慢且遵循一种时序性的变化规则（类似时钟），就有可能用于分析所有生物类群的进化关系，即描绘出系统进化之树。

Zuckerkandland Pauling（1962）通过比较不同生物世系的同一血红蛋白（hemoglobin）分子的氨基酸排列顺序发现，氨基酸随着时间的推移大致以一定的比例相互量换着，即氨基酸在单位时间以同样的速度进行置换。他们将这样的观察一般化之后，提出了所谓的分子钟（Molecular clock）假说，即基因或蛋白质的序列随时间的推移以相对恒定的速率变化，而且同一基因或蛋白的变化速率在不同世系的有机体中大约一致。

1968年，日本学者木村资生（Motoo Kimura）提出了所谓的分子演化中性学说（neutral theoryof molecular evolution），该学说有两个要点，其一，大部分突变都是中性的（即对生物的演化适应性并无实际作用，它们既不会被自然选择促进，也不会被抑制），它们要么逐步扩散到整个种群，要么通过“基因漂移”的随机过程而消失，但大部分中性突变被固定下来了；其二，每一种大分子在不同生物中的变化速度都是一样的(Kimura 1968)。可以认为，中性学说是分子钟假说的一种延伸。

依笔者之见，分子钟或中性理论的倡导者与达尔文一样都关注随机变异（当然前者在分子水平，后者在表型水平），只不过前者对不受自然选择作用的那些变异感兴趣，而后者则关注受到自然选择作用的那些变异；可是，任何水平的变异既具有随机性，又不可能完全随机，而分子钟或中性理论的信奉者就是要找出既普遍存在又逃脱了达尔文选择的神奇分子，或者说一个普适性存在且完全不受达尔文选择影响的分子就是他们梦幻中的时钟分子。当然，这样的分子还必须具有足够的复杂性，以便容纳相当大的时序性变异，而过于简单的分子是不可能作为这种时钟分子的。我们能找到满足如此苛刻条件的时钟分子吗？

2. 基于16S rRNA或18S rRNA的系统进化树

20世纪七十年代,美国**的微生物学家Woese（WoeseC R，1928年－2012年）声称找到了一个可以作为时钟的神奇分子—16S rRNA（在真核生物中为18S rRNA）。Woese和Fox（1977）通过距离矩阵法，计算出不同序列之间的进化距离（还揭示出一些特征序列），*后构建出一般的系统发育树，勾画出了现代生物类群的相对进化路线与位置（图1）。

图1 通过核糖体小亚基的rRNA序列构建的系统发育树，包括三个域—细菌、古细菌和真核生物，超嗜热菌中硫代谢的类型予以了标识（引自Noll & Childers 2000）

基于这样的一个系统树，Woese和Fox（1977）提出将现代的所有生物区分为三大类（域）—细菌（Bacteria）、古细菌(Archaea)和真核生物（Eukarya），古细菌与真核生物分化自一个共同的祖先（未知），而古细菌—真核生物与细菌拥有一个共同祖先，它是系统树*基部的一个节点。他们将这个可能的共同祖先作为未解之谜留给了后人，连猜测一个都没有。

那么，生命进化树中的这个可能共同祖先到底是什么呢？连克里克（DNA双螺旋结构的主要发现者）都认为要到太空世界中去寻求帮助，因为他认为古细菌与真细菌非常不同，不可能在地球上有限的时间从同一祖先进化而来，然而它们却有共同的遗传系统，所以势必有一个祖先在别的星球上（詹腓力1999）。

在原核生物的分类中，由于结构过于简单，无法像动植物那样建立基于形态学的分类体系，因此，传统上也主要以生化特征作为鉴别的重要依据。由于核糖体RNA的结构具有较好的保守性，因此在原核生物的大类群的区分方面备受重视。这就是为何Woese的方法得到*大的青睐（不光在微生物领域，而且也在真核生物领域）并一直沿用至今的缘由。但遗憾的是，在解决关于生命起源的问题上，好像派不上什么用场，因为在基部类群的问题上，没有任何其它可信的时序性证据能够予以辅佐。

3. 新的分类体系的提出—古菌作为一个独立的域

Woese和Fox（1977）比较了大肠杆菌、万氏甲烷菌和酿酒酵母的核糖体小亚基中的rRNA的结构（如图2所示），认为可以将古菌看作从细菌到真核的酵母菌的一种过渡类型。因此，他们提出了将古菌从细菌中分离出来以作为一个与细菌和真核生物并列的一个独立的域，这是一个惊人之举！之后，很多人也就习惯这样去想，古细菌在进化上是连接细菌与真核生物的桥梁。

像域这样的大的分类概念似乎也没有一个客观的判断标准，而更像是一种主观的界定、规定或划分。不停地推出一些新的生命类型或体系也是分类家的一种普遍嗜好！譬如，从图2的结构比较，如何才能有一种不同域的感受呢？域到底意味着什么呢？

图2 区分生命为三个域的核糖体小亚基中的rRNA的关键结构差异（引自Woese 1987）

4.与古菌地位相关的其它特征

除了核糖体小亚基中的rRNA在结构上呈现出一定的过渡性（细菌→古菌→真核生物），是否还有其它证据呢？或者说，古菌是怎样特殊的一个生物类群而值得将它们作为一个不同的域呢？

古菌*早发现于一些*端环境，如火山温泉（图3A为黄石国家公园的大棱镜温泉），它也存在于深海热液喷口（图3B）。现已知道，古菌多是一些嗜*种类，常常生存于一些*端环境，如>100℃的温泉、盐湖、强酸或强碱性水体或动物的消化道之中。譬如，一种古生菌—硫化叶菌（Sulfolobus）是化能营养菌，它既嗜酸（*适pH值为2～3），也嗜热（*适生长温度为70～75℃）。但是，古菌也广泛栖息于土壤、海洋和沼泽等十分多样的生境之中。需要指出的是，能够在类似*端环境中生存的也不仅仅只有古菌。

古菌不仅仅限于*端环境，甚至同一类古菌在生存环境上也有很大的可塑性。譬如隶属于宽广古生菌门的产甲烷菌（Methanogenus）包括4目12科31属，它们为专性厌氧菌，但具有宽广的温度适应范围：低温菌为20～25℃，中温菌为30～45℃，高温菌为45～75℃。

图3 地面热泉（A）和深海热液喷口或“黑烟囱”（B）（来源：A-维基百科，B-The Daily Galaxy）

表2就是对细菌、古菌和真核生物在形态、遗传与生理特征的比较。总的来看，古菌在能量产生与新陈代谢方面与细菌有许多相同之处，而其复制、转录和翻译则更接近真核生物。

古菌的能量来源从有机物糖类到氨直到氢气，但是没有一种古菌能像蓝细菌和高等植物那样能进行固定CO2的光合作用，虽然少数古菌（*端嗜盐古菌Halobacterium salinarum）能利用光能合成ATP（因此，也能称得上是一种光合作用），但它依靠一种特殊的色素蛋白复合体分子—细菌视紫质来创造膜内外的H+梯度，使ATP合成酶得以运转。但是这也不是古菌的专利，也被真细菌所用。因此，要说有什么不同，就是古菌不能靠叶绿素或细菌叶绿素来进行光合作用。但问题是在细菌中也存在类似的现象。

之前，在古菌中从未报道过存在细菌叶绿素a的生物合成，因为它们并不进行依赖与细菌叶绿素的光合作用。但是，*近Meng等（2009）在古菌中发现了一种细菌叶绿素a合成基因（bacteriochlorophyll a synthase gene）。可问题是，这样的基因到底是本来就有的呢还是从其它光合细菌通过水平转移（horizontal transfer）而来的呢？如果相信前者，就只好假定古菌本来是能够进行利用叶绿素或细菌叶绿素的光合作用的，到后来逐渐退化，*终就只在少数种类中还残留了个别不发挥作用的细菌叶绿素a基因。但实际上到底是何种途径也无法确定。

表2三域（细菌、古菌和真核生物）特征的比较

（引自Madigan and Martinko 2006）

从表2不难看出，与真核生物相比，原核的细菌和古菌在与能量代谢和碳代谢相关的生理功能上要丰富多样得多，或者换句话说，在基础代谢方面，细菌和古菌表现出了惊人的可塑性，而真核植物看似只选择了基于叶绿素的光合作用这一条进化之路，虽然它是如此的宽广与自由！

一般将细胞膜上的脂类统称为膜脂（membrane lipids），它们构成了生物膜的基本骨架；所有的膜脂都具有两亲性，即一个亲水（*性）端和一个疏水（非*性）端；大多数膜脂都具有磷酸基团，因此称为磷脂（phospholipid）。多数磷脂分子的*性端通过甘油基团与非*性端相连，而磷脂分子的疏水端则是由两条烃链构成，一般每条链含有14-24个偶数碳原子，其中一个烃链常含有一个或数个双键，这能使烃链出现一定程度的旋转（图4）。很显然，磷脂的基本部件是脂肪酸（主要是长链）、甘油和磷酸。

古菌在膜脂的结构上与细菌和真核生物也有一定差异。古菌膜脂由分枝碳氢链和D型磷酸甘油通过醚键相连而成，而在细菌和真核生物中，则是由不分枝脂肪酸和L型磷酸甘油通过酯键连接而成。细菌和真核生物的细胞膜由双层类脂构成，但一些嗜热古菌的双层类脂出现了共价交联，形成了结实的疏水层（变成了一种两端亲水的单脂层），这种结构增强了膜的机械强度和耐热性。一般来说，膜脂中脂肪酸的熔点或热稳定性顺序为：直链饱和脂肪酸＞带支链饱和脂肪酸＞不饱和脂肪酸，但古菌类脂分子间的共价交联*大地增强了耐热性（可避免双层膜在高温下变性分开）。

图4 膜的结构（来源：维基百科）

上图为古菌的磷脂：1）异戊二烯链，2）醚键，L-甘油部分，4）磷酸基团。中图为细菌或真核生物的磷脂：5）脂肪酸链，6）酯键，7）D-甘油部分，8）磷酸基团。下图：9）细菌和真核生物的双脂层，10）古菌的单脂层

此外，嗜热古菌的双链DNA结构也呈现出较好的稳定性，譬如，大部分嗜热古菌的生长上限温度和DNA中G+C含量之间存在正相关关系。在DNA双链中，G和C是以三个氢键相连，而T和A只以两个氢键相连，而氢键的多少体现连接的能量，即氢键越多，解链能量需要越多。因此，古菌DNA中的G+C含量越高，解链温度也越高，对高温和碱的耐受性也越强。

但是，需要指出的是，一些嗜热古菌在细胞膜结构和核酸成分上的这种热适应性与系统发生真的有必然的关系吗？这能反映时序性的物种演化过程吗？还有其它证据来佐证吗？

值得一提的是，叶绿素或细菌叶绿素中的长脂肪烃侧链（链长约20个C）与磷脂中的长链脂肪酸（约含14-24个C）之间是否存在一定的同源性呢？叶绿素分子的这个长脂肪烃侧链也是插入膜中的。此外，古菌磷脂中的异戊二烯链与类胡萝卜素分子中的异戊二烯链以及一种重要的脂溶性电子载体—质醌分子中的异戊二烯是否也是同源呢？不仅如此，不论是叶绿素还是类胡萝卜素，它们的长度与单层膜的长度均十分接近。难道这些不是在预示这些色素分子的起源与膜脂存在密切的关系吗？

三、对Woese的系统进化树之疑问

1.进化树的基部结构看似迎合了“常识”

用核糖体小亚基的rRNA序列构建的图11-1虽然没有给出谁是共同祖先，但围绕共同祖先的都是一些嗜热的化能自养菌，譬如，细菌中的产液菌（能氧化H2）和栖热袍菌，古生菌中的热网菌和甲烷球菌等（能氧化H2）。这样的进化安排自然符合人们的一般看法，即早期的地球环境是炽热的，化能自养可能是生物界*古老的能量利用方式，因此，嗜热细菌作为地球早期生命形式的进化遗迹也就被认为是*合理的方案了。这看上去，生命之树的绘制似乎接近于大功告成了！

基于类似的考虑，有学者（Pech and Nierhaus 2011）甚至定义了与ATP产生相关的进化的三个阶段：①呼吸前（>26亿年前），主要的能量产生途径为厌氧糖酵解，即C6化合物（葡萄糖、果糖）分解为C3化合物（丙氨酸），通常认为这些糖类由环境中得来，根据米勒模仿古代大气的组成和物理因子（闪电、温度）的实验，它们通过古代大气中的高温和电击形成；②在26-24亿年前，光合作用产生，使生命不再依赖外源性的高能组分，如C6化合物；③在<20亿年前，一些光合作用形成的酶经过细微的修饰，被再利用，催化呼吸作用的相关反应。笔者认为，虽然这样的划分考虑了早期地球上有限的化石与地质化学证据以及分子钟的估算，但也只是一种间接性的推测或猜测而已，当然这样的猜测迎合了所谓的一般“共识”，因此看上去显得颇为“合理”。事实上，现在仍然缺乏足够的证据来阐明异氧和自养哪个*先出现，那就更不用说能量产生途径了。虽然根据岩层中三价铁的大量沉积可以来判断光合产氧的出现时间（大约20亿年前），但是如何根据化石证据来区分化能自养和光能自养呢？这仍然是一个无法解决的困难。

2. 结构与时间的关系未必就那么**

基于核糖体RNA小亚基的rRNA序列构建的一般系统树果真如此**吗？**不是！一些学者指出了可能存在的一些问题。**，进化事件发生的准确时间是不可能从进化树来获知的，虽然很多人试图这样做，其次，序列的变化也很难与时间准确相关，因为不同世系的进化钟也不是恒定的；还有，仅仅依据一种分子的序列，也无法从进化树中找出现代世系的共同祖先（Pace 1997）。

不同类群序列的比对如何能够决定它们进化时间的先后呢？当然，如果有一些其它证据（如化石）的帮助还有可能的。但是，对于生命起源早期出现的一些无法留下化石痕迹的微小的单细胞原核生物来说，基于这种序列的比对是根本无法推测出进化的时间先后的。谁有证据能确认产液菌是细菌中*古老的呢？谁能说化能营养就一定比光能营养起源早呢？从序列本身，再怎么比较，也不会产生时间先后的概念。对这个神化的rRNA分子来说，是什么引起了它的缓慢变化的呢？仅仅是时间的随机变化吗？难道生存环境不可以引起它的变化吗？如果既有时间的影响又有环境的影响，那如何才能将它们分离开来呢？

谁能保证一种分子的变异能建立起所有的进化关系呢？以细胞色素C为例吧，这是一类对“分子钟”概念的提出起到了关键作用的分子，它既复杂、又广泛分布（作为电子载体存在于几乎所有的生物类群之中）且变异也十分缓慢，看上去十分符合理想时钟分子的条件。但是，雅荷雅（2003）指出，一些研究表明，这种分子在生物中表现出难以置信的变异：两种不同爬虫间的差异，要比鸟跟鱼或鱼跟哺乳动物的大，同一鸟类分子间的差异，比这类鸟与哺乳动物的还要大，此外，看上去相似的细菌，在分子中的差异，要比哺乳动物、两栖动物或昆虫的大。类似的例子应该举不胜数！

*近通过对一种能在接近沸点温度下生长的超嗜热菌（Aquifex aeolicus）的基因组序列测定发现，①如果用FtsY（参与细胞分裂调控的蛋白质）作为分子记时器，该菌与Woese进化树上位于细菌分枝的枯草芽孢杆菌（一种土壤细菌）相近；②如果以一种参与色氨酸合成的酶为准，该菌应属于古菌；③如果选择合成胞苷三磷酸的酶时，则古菌不再形成独立的一群。因此，不同的基因似乎在讲述不同的进化故事，而这不同的故事也似乎与进化的时序性并不那么紧密相关。

Denton（1985）指出，“在分子水平上的每一生物种类是独特、