跳动城乡网了解地球上的生命如何开始和进化是人类长期以来着迷的问题，现代科学家在寻找答案方面取得了巨大进展。现在，我们最近的研究希望为地球生命的起源提供新的见解。
大约3.75亿年前，我们的鱼类祖先通过鳃呼吸。6亿多年前，所有动物的共同祖先——微小的原后生动物出现了。然而，在这一切发生的数十亿年前，所有生物的共同祖先，即最后的普遍共同祖先(卢卡)一定已经存在。
几十年来，科学家们一直致力于确定卢卡的身份，对卢卡的形象有着不同的看法。另一个争论点是卢卡的年龄。我们掌握的最早的生命化石证据大约有34亿年的历史。一些研究将卢卡的年龄推后到地球诞生的45亿年前。另一些人认为这是不可能的，因为建立遗传密码和DNA复制机制需要很长时间。
卢卡并不是第一个生命形式，它是所有生物的起源。尽管如此，科学家认为生命体可能早在卢卡之前就存在了。了解卢卡是什么样子，以及它生活的年代，对于帮助我们弄清地球上的生命是如何进化的至关重要。
在我们最近发表在《自然生态与进化》杂志上的研究中，我们结合多种科学方法重建了卢卡的基因组，并展示了我们发现的基因如何让卢卡得以生存。这个项目是数年工作和国际合作团队的成果。
卢卡的本质
为了重建Luca的基因组，我们需要从不同种类的细菌和古菌(不同于细菌的单细胞生物)中获取基因组样本(生物体中的所有遗传信息)，这样我们才能确定我们取样的是现代生物。我们排除了真核生物(植物、动物和真菌)，因为科学家认为它们是从古菌和细菌的结合进化而来的，而且进化时间要晚得多。我们有一组700个基因组(350个古菌和350个细菌)，这些基因组是从我们中的一些人参与的2022年的一项研究中整理出来的。
我们将这些基因归类为不同的家族，以了解它们在现代生物体中的作用。为此，我们使用了一个名为KEGG的数据库，它可以帮助科学家弄清楚生物体的代谢途径(它们如何维持生命)。
接下来，我们利用这些家族推断出系统发育树(或系统发育，有点像家谱)，以了解不同物种之间的关系，并了解它们如何随时间进化。我们还建立了一组单独的57个基因，这些基因在我们研究的所有700种生物中都是共同的，而且可能存在于几乎所有生命中。这些类型的基因在过去的几十亿年里没有发生太大变化。
我们利用这57个基因构建了一个物种树，该树显示了不同生物之间的达尔文关系。然后，我们可以通过对基因重复、基因转移和丢失的速率进行建模，将KEGG基因树与物种树结合起来。这也使我们能够计算出Luca中存在不同基因家族的可能性。
重建Luca的基因组使我们能够估计它的新陈代谢，就好像它今天还活着一样。我们将Luca想象成一个相当复杂的生物体，如现代细菌和古细菌，具有较小的基因组。但是，我们没有发现光合作用(一些细菌使用光合作用)或氮固定(一些现代细菌和古细菌用来生存的化学过程)的证据。
卢卡多大了?
我们还尝试了一种新方法来估计卢卡的年龄，即利用我们认为在卢卡之前重复的基因以及来自化石的信息。
通常，为了推断进化时间线，我们会获得具有同源基因的感兴趣物种的系统发育，这些基因可以追溯到共同的祖先。
然后，我们会找到一组与我们感兴趣的物种有远亲关系的物种(外群)来建立系统发育的根源。
在系统发育中连接物种的“分支”保存着有关基因变化(突变)发生率和物种分化时间的信息。我们可以利用化石或地质证据来告知分子钟物种形成事件发生的潜在最低年龄。
然而，卢卡却给我们带来了两个问题。首先，生命起源没有外群，其次，早期地球的化石和地质证据并不多，我们无法用它们来校准分子钟。
为了克服这些限制，我们使用了科学家已经追溯到Luca的旁系同源基因。旁系同源基因通过基因复制而相互关联。当一个物种分裂成两个物种时，就会发生这种情况，每个物种都有自己的复制基因副本。
我们估计卢卡在大约42亿年前在地球上游荡。如果我们的时间估计接近事实，那么遗传密码、蛋白质翻译和生命本身等事物一定在地球形成后迅速进化。
我们对Luca的复原并非第一次，也肯定不会是最后一次。每年都有越来越多的生物被发现和测序，计算机的功能越来越强大，进化模型也在不断改进。因此，当有更多数据和更强大的技术可用时，我们对Luca的理解可能会改变。
例如，我们应该考虑到，在卢卡时代可能还存在着许多其他生物，而这些生物如今已不复存在。如果卢卡的早期后代没有存活到现代，并且它们的基因没有存活下来，那么我们就永远无法将这些基因家族追溯到卢卡，这意味着我们对卢卡的重建可能不完整。
尽管存在各种技术限制，我们的研究仍为了解卢卡提供了一种新方法。但要更好地了解自地球形成以来生命是如何进化的，我们还有很多工作要做。
