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时隔30年，最新《自然》证实诺奖得主预测！重写跨越10亿年的生命故事

学术经纬 学术经纬 2023-09-23

▎药明康德内容团队编辑  


在数十亿年的生命演化历史中，真核生物的出现与繁盛有着至为重要的意义。至此，生命摆脱了简单的形态，拥有了“控制和信息中心”细胞核以及“能量工厂”线粒体，为今天复杂生命形态的演变奠定了基础。

▲真核细胞的出现为复杂生命形态的演变奠定了基础（制图：药明康德内容团队）

在这一切的开端，最古老的真核生物是在什么时候出现的，又用了多久成为地球的统治者？尽管这些远古生物无法留下直接的实体或印痕化石，但研究手段的进步使得科学家们有机会重建它们的历史。

根据分子钟——一种根据物种间的遗传序列差异来推导物种演化时间的研究手段，已有研究重建的真核生物最后共同祖先（Last Eukaryotic Common Ancestor, LECA）可以追溯到至少12亿年前。

但另一方面，分子化石证据却给出了不同的结果。现代真核生物往往需要依靠类固醇来构建细胞膜、执行细胞功能，它们也被认为存在于LECA中，是科学家在岩石中寻找真核生物遗迹的生物标志物。对真核生物留在岩石上的分子化石甾烷（一种存在于真核生物细胞膜中的类固醇）的探测结果显示，真核生物直到8亿年前都十分罕见。

如果这两个结论都没有错，这意味着真核生物在诞生后相当漫长的时间内，都处于式微的状态，细菌似乎才是远古海洋的主人。当然，另一种可能性是，我们一直遗漏了某些属于真核生物的证据。

1994年，曾因发现胆固醇生物合成机制而获诺贝尔生理学或医学奖的康拉德·布洛赫（Konrad Bloch）教授提出了一个猜想：在从羊毛固醇（lanosterol）到胆固醇的漫长生物合成路径中，每个在今天短暂存在的中间体，在几亿年前都曾是最终产物，并且它们都是在其前体基础上演进的结果。不过，布洛赫教授悲观地认为，这些作为中间体的原始分子无法在地质记录中得以保存，因此今天的我们也就永远无法找到它们。

▲康拉德·布洛赫教授（图片来源：诺贝尔基金会）

现在，一项发表于《自然》的最新研究不仅证实了布洛赫教授关于存在原始类固醇分子的预测，而且在超过10亿年前的岩石中找到了这些“不可能存在”的分子！由此，这种新型类固醇的发现重现了16亿年前的遗失世界，复原了复杂真核生物久远的历史，并将改写我们对生命早期演化的理解。


在由澳大利亚国立大学领导的研究团队看来，代表了真核生物的生物标志物一直在那里，只是存在形式与之前想象的不同。“我们首先结合应用一系列技术，将现代的类固醇转化为它们在化石记录中对应的成分；否则，我们永远都不知道要找的是什么。” 论文共同通讯作者Jochen Brocks教授表示。

由此，研究团队带着这样的关系，对有着8亿~16.4亿年历史的沉积岩样本进行了分析。他们从中发现了丰富的原生类固醇（protosteroids），例如在分子化石中，单芳/二芳羊毛类固醇分别对应的原生类固醇是羊毛固醇和环阿屯醇。正如布洛赫教授预测的那样，这种原始的化合物长期被忽视，它们的结构代表了今天类固醇生物代谢通路的中间产物，但在当时却是真核生物代谢的最终产物。

▲地球历史上，生物代谢产物固醇与其在化石中类固醇的对应关系（图片来源：参考资料[1]）

这一结果也暗示着，在LECA之前就有早期复杂生命存在。研究团队将这些根据原生类固醇证据推断出的远古生命称作原生类固醇生物群（Protosterol Biota）。

“在16亿年前的岩石上检测出的原生类固醇生物群分子遗迹，甚至比LECA还要早。这些远古生物在全世界的海洋生态中都很丰富，很可能塑造了远古的地球生态系统。”论文共同通讯作者Benjamin Nettersheim博士表示。

原生类固醇生物群的出现意味着，原始的真核生物并不是偏居一隅，它们在当时的海洋、湖泊中广泛存在，只是之前我们不知道如何找到它们。

▲艺术家想象中，原生类固醇生物群中生活在洋底的原始真核生物（图片来源：Orchestrated in MidJourney by TA 2023）

论文共同通讯作者Jochen Brocks教授表示，尽管从生物标志物中无法断定这些生物的长相，但原生类固醇生物群一定比细菌更复杂，很可能体型也更大，“我们相信它们是地球上最早的捕食者，以细菌为食。”

▲另一张艺术家想象中的原生类固醇生物群复原图，科学家尚无法确认这些原始祖先的长相（图片来源：Orchestrated in MidJourney by TA 2023）

根据最新的分子化石证据，这些生物从大约16亿年前出现，一直存活到了大约8亿年前。这个阶段的终点是地质年代中的拉伸纪（Tonian Period，10亿-7.2亿年前），作为一个承上启下的时期，更高级的生物在这时开始繁盛，取代了原生类固醇生物群的地位。但它们谢幕的时间仍然是个谜。

“正如随着恐龙的灭绝，我们的哺乳动物祖先演化得体型更大、更丰富，原生类固醇生物群的退场也为现代真核生物腾出了空间。” Brocks教授说。

此外，研究团队基于生物合成途径演化来指导古生物搜索的策略，或许还将为我们揭开更多关于早期生命的谜题。对于今天的我们，这种跨越十亿年的纽带无疑是神奇而幸运的：当那些地球早期海洋中的生命在时间长河中消逝，还有这些分子保留它们的痕迹、向它们遥远的后代讲述着生命的故事。

封面图为另一张原生类固醇生物群中浮游生物的想象复原图。来源：Orchestrated in MidJourney by TA 2023

参考资料：
[1] Brocks, J.J., Nettersheim, B.J., Adam, P. et al. Lost world of complex life and the late rise of the eukaryotic crown. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06170-w
[2] Scientists discover ‘lost world’ of early ancestors in billion-year-old rocks. Retrieved June 8, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/991531


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