进化溯源：生命之树的树根在哪里？

上一讲，我们讨论了生物进化过程的基本面貌，它就像一棵根深叶茂的大树。那么，如果我们仔细审视这棵树，审视它的每一寸树干和每一根枝叶，追溯它经历的每一次毁灭和每一次繁盛，能不能从中找到生物进化的某些底层规律呢？

这一讲我们首先来看看，这棵生命之树的树根在哪里？

LUCA：生命之树的根

其实，“生命之树有一个树根”这个声明，一开始并没有什么严格的科学证据，而是顺着达尔文当年的思考逻辑推演出来的。

比如，除了病毒之外，所有现存的地球生命都有相似的细胞结构，都使用 DNA 作为遗传物质，都使用 ATP 作为能量载体。这种普遍意义上的相似性强烈提示了共同祖先的存在。如果否认地球生物存在一个共同祖先，就得假设不同类别的生物在漫长的进化历史上，独立发展出了这些完全相同的特征，这个巧合未免也太匪夷所思了。

而这个共同祖先，也就是生命之树的树根，就是传说中的“露卡”（LUCA， Last Universal Common Ancestor），英语直译过来就是“现存地球生物的最后共同祖先”。

我要提醒你的是，LUCA 是一种完全靠猜测和推理想象出来的生物，没有留下任何化石证据。长久以来，它存在的唯一依据就是达尔文式的推论。

但是到了 2016 年，科学家们居然还原了这种假想中的生物的许多细节特征。而他们使用的就是咱们上一讲讨论的，利用基因序列差异还原生命之树的方法。

首先，研究者们分析了遍布今天地球生物圈的基因序列，从中找到了 355 个广泛分布于所有类群的基因家族。根据生命之树的形成原理，既然这 355 个基因家族分布得如此普遍，那最合理的解释就是，它们诞生的时间非常早，诞生在生命之树出现任何分叉之前。换句话说，在 LUCA 体内，应该已经有这 355 个基因家族的雏形了。

从这 355 个基因家族出发，研究者们进一步猜测了 LUCA 可能是一种什么样的生物——由于这些基因包括了 DNA 复制、转录和翻译的功能，因此大家推测， LUCA 和现代生物一样，已经开始使用 DNA 作为遗传信息的载体。

同时，LUCA 拥有 ATP 合成酶的雏形，能利用环境中的离子浓度差制造能量。这一点我们后面会详细展开。他们甚至还推测，LUCA 应该是一种生活在海底热泉喷口附近，能够忍受高温、喜好无氧环境的单细胞生物。

类比：语言之树的树根

也许你还是觉得，这种纯靠猜测的研究不是那么让人放心。别着急否定，我可以用一个语言学的例子交叉印证一下人们对 LUCA 的研究思路。

在欧亚大陆上使用的许多种现代语言，比如英语、德语、法语、西班牙语、印地语、俄语、希腊语等，在词汇拼写和语法结构上都有着很强的相似性。这些语言被语言学家们统一归类为“印欧语系”，是今天世界上使用范围最广的语言系统，超过 30 亿人使用。

和我们讨论生物进化的逻辑类似，语言学家也认定，这些语言有一个共同“祖先”，并且还给它起了个名字，叫“原始印欧语”。语言学家认为，原始印欧语在长期的使用、传播、变化、固定过程中，逐渐分化出了今天数百种千差万别的独立语言。

和 LUCA 一样，原始印欧语也是一种纯粹假想出来的语言，今天并没有任何人使用它，也没有留下任何文字记录。但是，语言学家们可以通过分析现代印欧语言的相似性，部分的还原出这种原始语言的特征。

尽管 LUCA 也好，原始印欧语也好，人们并不掌握它们存在的直接证据，但其他学科的研究发现确实能够印证它们的存在。比如，LUCA 的特征就和古生物学和地质学的研究发现相一致，而原始印欧语的研究也和古人类学以及考古学的研究相互印证。

这么说起来，LUCA 也好，原始印欧语也好，把它当成生物或者语言进化之树的树根，还是相当可靠的。

当然，我要强调一句：生命之树的根到底是什么、在哪里，远不是一个已经尘埃落定的问题。即便我们相信 LUCA 的存在，也相信研究者们对 LUCA 的猜测和想象，其实也无法确认它到底出现在什么时候、具体位于生命之树的哪个位置。

这个话题有点烧脑，我稍微展开几句：

你看，我们固然可以从现存地球生物的基因序列出发，找到那些广泛存在于生命之树所有主要分支的基因家族，然后假设这些基因家族在 LUCA 体内就已经出现了。

但是，既然 LUCA 没有留下化石证据，我们就只好定性的推测，它的存在时间肯定是生命之树还没有出现分叉的时候，至于具体是在什么时间，从三十多亿年前到四十多亿年前各种猜测都有，很难有个准数。

问题一：生命之树只有一个根吗？

如果说具体时间仅仅是个技术问题的话，接下来两个问题就更严重了。它们的存在，直接让生命之树的树根形态变得更加扑朔迷离。

第一个问题：既然是从现在推测过去，那么我们可以想象，如果生命之树的某个分支很早就形成了，但是没有幸运的延续到今日，那这个分支上的基因序列我们就无从考证，也无法纳入对 LUCA 的推测中。这当然会大大影响我们对生命之树树根的描绘。

我们把这个问题阐述得具体一点：

假设除了现存的地球生物门类，比如细菌、古细菌、真菌、植物、动物之外，还有一个特别重要的生物门类，我们姑且叫它“X 分支”，早在 35 亿年前就已经从生命之树的主干上分叉出去、独立演化了。这个分支曾经演化得极其成功，几乎占领了初生的地球海洋，在长达 5 亿年的时间里，把今天地球生物的所有祖先们压制得抬不起头来。

但是，到了 30 亿年前，一场无法考证的巨大环境灾难彻底毁灭了生命之树的 X 分支，也因此给了其他分支更大的生存空间，让它们一直生长、存续到今天。

到了 21 世纪，一群好奇的生物学家决定还原地球生命共同祖先的样貌。他们走遍全球，收集了所有现存生物门类的基因序列，从中找到了 355 个普遍存在的基因家族，然后推测出了共同祖先大概长什么模样、在哪里生活、以及生活在什么年代。

但是，只有拥有上帝视角的你才知道，这群科学家永远无法看清真正的共同祖先。因为生命之树有一个重要的 X 分支早在 30 亿年前就已经烟消云散，它携带的独特遗传信息根本无处可寻。

听到这里，你应该看到了问题的核心：对生命之树的寻根溯源，只能从现存生物具备的特征和携带的遗传信息出发。就像“历史是由胜利者书写的”那样，我们所谓的 LUCA，其实也只是演化胜利者的 LUCA。

问题二：分叉后就不会融合了吗？

而即便我们放弃幻想，把目标收缩到寻找现存地球生命的根源，也还是会遇到第二个麻烦：

刚才推演生命之树树根的方法，其实有一个很核心的假设——生命之树的分支一旦分开就不可能再度融合，只能各自独立的演化下去。这样我们就知道，两个物种差异越大，分开的越早；差异越小，分开的越晚。但是研究发现，这个假设并不总是成立。

比如，两个物种很相似，有可能是因为它们很晚才分开，但也有微小的可能是因为它们很早就分叉了，但最近突然又融合了一次，彼此借鉴了一下对方的特征。这种现象有一个专门的名称，叫作“水平基因转移”——lateral gene transfer。

比如，在细菌这类简单生物当中，不同物种之间交换基因就是一件稀松平常的事情。

有些专门入侵细菌的病毒，也就是所谓的噬菌体，能够在反复入侵不同细菌的过程中把一些基因片段带来带去。还有些细菌干脆可以直接把遗传物质释放到环境中，被其他细菌个体吞噬和利用。也就是说，至少在细菌这个分支上，枝条的分叉和再度融合是非常普遍的现象。这当然就大大增加了寻根溯源的难度。

即便是更复杂的生物，水平基因转移这种现象也存在。

你肯定知道，植物之所以能进行光合作用，利用太阳光制造碳水化合物，是因为植物细胞拥有一个名叫“叶绿体”的微型细胞机器。而真菌、植物、动物这些复杂生物能够高效的利用能量，是因为它们都有一个名叫“线粒体”的微型细胞机器。

生物学家们普遍相信，叶绿体也好，线粒体也好，原本都是独立生活的细菌——在大约 20 亿年前，真核生物的祖先吞噬了一个能够高效使用能量的细菌。

这个细菌幸运的没有被消灭，反而存活了下来，和宿主形成了生死相依的亲密关系，不仅提高了宿主细胞的生存能力，也给自己找到了独特的生存空间。这就是线粒体的来源。

在大约 10 亿年前，类似的吞噬和寄生事件又发生了一次，真核生物的祖先又把一枚能够进行光合作用的细菌纳入体内，这就是“叶绿体”的来源。

线粒体和叶绿体的出现，本身就是重大的基因水平转移事件，又被叫作“内共生事件”。两个细菌的分支在 20 亿年前和 10 亿年前分别和真核生物的祖先分支发生了重新融合。动物、植物，当然也包括我们人类自己，都是生命之树异常生长的产物。

总结

数百万种现存的地球生命，都是从相对少数和简单的祖先那里逐步生长、延伸、分叉而来的。我们确实能从现存的生物出发，推测出这些生物的共同祖先的大致面貌。

但是，生命诞生初期可能发生的驳杂混乱的生长和毁灭事件，以及生命分支之间分叉后重新融合的小概率事件，导致生命之树的真正根源可能会永远隐藏在黑暗中，不为我们所知。

而我们人类，以及所有现存的地球生命，还得带着这个永恒的遗憾，继续走下去。

下节预告

说完了生命之树的树根的基本面貌，下一讲我们换一个角度，从生命之树的树冠，看看这个大树的枝条和树叶遵循什么生长规律，又会被什么因素影响。

我是王立铭，我们下一讲再见。

划重点

1.地球生命之树的树根就是传说中的 “LUCA”。作为一种靠猜测和推理想象出来的生物，LUCA 没有留下任何化石证据。长久以来，它存在的唯一依据就是达尔文式的推论。 2.我们对生命之树的寻根溯源，只能从现存生物具备的特征和携带的遗传出发。我们所谓的 LUCA，其实也只是演化胜利者的 LUCA。

3.生命之树上，由于水平基因转移的存在，枝条的分叉和再度融合是一个非常普遍的现象。