科学家发现所有地球生命出现前的基因

据美国《科学日报》网站2月10日报道，今天活着的所有生物体的生命谱系都可以追溯到生活在大约40亿年的单一共同祖先。科学家称这一生物体为“最后的共同祖先”，它是目前可以利用成熟进化学方法进行研究的最早生命形态。

在《细胞基因组学》杂志发表的一项研究中，奥伯林学院的阿伦·戈德曼、麻省理工学院的格雷格·福尼尔和威斯康星大学麦迪逊分校的贝蒂尔·卡恰尔三名研究者描述了一个探索那个更早进化时期的途径。戈德曼说：“尽管最后共同祖先是我们可以用进化学方法研究的最古老生物体，但其基因组中某些基因诞生的年代更为久远得多。”

研究团队聚焦于一个被称为“普遍旁系同源基因”的特殊基因群体，这些基因保存了最后共同祖先出现前发生的生物学变化的证据。

旁系同源基因指在单一基因组内多次出现的一组相关基因。人类就是一个明显的例子。我们的脱氧核糖核酸(DNA)中包含八种不同的血红蛋白基因，所有这些基因都生成通过血液运送氧的蛋白质。这些基因全部起源于存在于大约八亿年前的一个先祖珠蛋白基因。经过漫长的时间，一再发生的复制错误生成出这种基因的额外版本，而每一个副本都逐渐发展出自己特殊的功能。

而普遍旁系同源基因远为罕见得多。这些基因家族在几乎所有现存生物体的基因组中都表现出至少两个副本。它们的广泛存在表明，最初的基因复制发生在最后的共同祖先出现之前。随后那些复制的基因经过了无数代的传递，今天仍存在于生命中。

论文作者认为，由于这种深远的进化影响，普遍旁系同源基因是研究地球生命最早历史的一个关键却常被忽视的资源。随着基于人工智能的新技术和经人工智能优化的硬件使详尽分析远古基因类型变得更加容易，这一研究途径正在变得更加切实可行。

戈德曼说：“尽管我们所知的普遍旁系同源基因极为罕见，但它们能为我们提供大量关于在最后共同祖先出现之前生命是什么样子的信息。”福尼尔补充说：“这些普遍旁系同源基因的历史是我们迄今拥有的有关这些最古老细胞谱系的唯一信息，因此我们需要从中挖掘出尽可能多的知识。”

三位作者在分析中考察了所有已知的普遍旁系同源基因。这些基因的每一种都发挥着不是构建蛋白质就是透过细胞膜运输分子的作用。这一发现表明，生成蛋白质和进行膜运输属于最早进化出的生物功能。

研究人员还强调了重构这些基因的远古形态的重要性。戈德曼在奥伯林学院的实验室曾研究过一个参与把酶和其他蛋白质插入细胞膜的普遍旁系同源基因家族。在该研究中，科学家利用进化生物学和计算生物学的标准方法重建了这种最早先祖基因生成的蛋白质。

他们的研究结果表明，这种更为质朴的古老蛋白质仍可附着在细胞膜上并与制造蛋白质的机制相互作用。它很可能帮助了早期蛋白质嵌入到原始细胞膜中，从而可以提供关于最古老细胞可能如何运作的见解。

论文作者希望计算工具的持续进步将使科学家能够找到更多普遍旁系同源基因家族，并且更详细地研究它们的远古先祖。卡恰尔说：“通过跟踪普遍旁系同源基因，我们可以把地球生命的最早步伐与现代科学工具相连结。它们为我们提供了一个把进化史和生物学中隐藏最深的奥秘转化为我们可实际检验的发现的机会。”他们的目标是构建更为清晰的最后共同祖先出现之前的进化场景，从而揭示我们所知道的生命最早是如何出现的。