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LUCA,含有基因组的最早生命体

7788 / by: 麦新杰 / 发布:2016年4月10日 / 19次阅读 / 暂无评论
标签:生命起源   / 最后修改时间: 2016-04-11 17:29:15

7788 / 2016年4月10日 / 19次阅读 / 标签:生命起源  


LUCA,含有基因组的最早生命体

大约35亿年前,出现了一种含有基因组的生命体,被称为所有生命的共同祖先(LUCA,Last Universal Common Ancestor of all life)

LUCA的基因组由制造RNA和蛋白质的信息体组成。在美国马里兰州贝塞斯达国家卫生研究院研究生命演化的尤金·库宁(Eugene Koonin)说,至少100个基因确信源于LUCA,而LUCA可能总共拥有超过1000个基因。

虽然与我们所知的现代生命长得不一样,LUCA拥有许多在现代生命中仍可找到的核心体系,包括蛋白质制造体系。一些研究者相信,LUCA绝不是一个分离的、由膜包覆的细胞,而是由类似病毒的个体组织而成的复合体,在无生命的隔间(比如碱性热液喷口的孔洞)内不断复制。

 

LUCA演化出细菌和古菌

接下来可能发生的情况是,LUCA类似病毒的部分机体,通过两次不同的契机,吸附了细胞膜而变成了简单的细胞

这可以解释两种截然不同的简单细胞,细菌和古菌,为什么会拥有完全不同的细胞膜。库宁说:“这是非常引人注目的假设。”可以肯定的是,生命在很早之前就产生了分枝。

细菌与古菌的演化改变了地球,但仍然只是化合物构成的小小囊泡而已。直到发生了一件非同寻常的事件,将这两大分枝重新聚合成一个复杂细胞,即真核细胞。这一事件改变了基因组,也为第一批动物的出现铺平了道路。

 

古菌“吞食”了一只细菌,产生真核细胞

距今大约10亿年前,一只古菌“吞食”了一只细菌,但并没有杀死它。相反,它们携手形成了一种共生关系,细菌的后代逐渐担负起了一个重要角色——线粒体,成为了细胞内供应能量的工厂。

如果没有这次重聚,复杂生命或许根本不会出现。

我们倾向于假设,简单有机体向复杂个体演化是自然趋势,但单独的细菌和古菌至今在复杂程度上也没有太大变化。原因何在?

据英国伦敦大学学院的尼克·莱恩(Nick Lane)说,这是因为它们遇到了一个能量瓶颈。所有的简单有机体都利用细胞膜产生能量。当它们变大时,相对表面积变小,因此不能产生足够的能量,所以简单有机体必须维持微小体。同时,小细胞也没有足够的空间容纳大的基因组。通过提供模块化的完备能量源,线粒体突破了这一瓶颈。细胞只需要制造更多线粒体,就能够变得更大。相应地,基因组得以扩充,信息存储能力也有效提高。

除了让细胞从能量困境中摆脱出来,线粒体的祖先还是我们多达3/4基因的源泉。最古老的细菌大约拥有3000个基因,它们中的大多数都随着时间流逝或消失,或进入主基因组中,只给现在的线粒体留下了少量的基因。

尽管益处显而易见,但重聚也存在极大的危险。确切地说,线粒体祖先的基因被一些寄生DNA感染了。这些寄生DNA被称为转位子(transposon),除了不停复制自己之外什么都不做。有时它们在基因中段定位,携带大量不相干的DNA形成内含子(intron)。这就像在一本熬汤菜谱中夹了一段糕点配方一样。

当然结果并不总会致病,因为内含子能在RNA离开细胞核(这是蛋白质生成的第一步)进行转译前自我剪接。但这个过程并不总会发生,因此内含子的存在是有害的。绝大多数细菌基因中没有内含子,因为细菌数量众多,相互之间竞争激烈,自然选择会残酷地将有内含子的个体剔除。然而,早期真核细胞数量极少,因此自然选择作用较弱,古老线粒体上的寄生基因便开始疯狂进行自我复制,最终导致基因组上有成百上千的内含子。

现在,我们的每一个基因中都有约8个内含子,它们中的绝大多数可追溯至最早的真核生物——我们的祖先没有采取任何措施来摆脱它们。相反,祖先演化出了一些方法来应对它们,比如改变基因的结构以及细胞再生的方式。性,便是其中之一。

本文固定链接:http://www.maixj.net/misc/luca-11945

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