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誰是LUCA?

2011/03/01 | | 標籤:

一半的科學想找出「我們從哪裡來」,另一半的科學在問「我們朝哪裡去」,而要回答這些大哉問,尋找LUCA就成了許多科學家的首要任務。

LUCA不是某個神的名字,它指得是Last Universal Common Ancestor,也就是生物共同老祖宗之意。我們都知道演化讓地球上的生物呈現繽紛多樣,然而在演化之前呢?

當今世上存在三種有機體:古菌、細菌、跟真核生物。而古菌跟細菌又可被劃歸為原核生物。人類屬於多細胞真核生物,而瘧原蟲則是單細胞真核生物,鬆散一點來看,我們跟瘧原蟲是表兄弟,都比原核生物來得複雜許多,體內有各種分子,分子跟分子間以各種方式互動,或組成更大型的互動網絡。大部分的真核生物細胞內都有粒線體,就像是細胞內負責產生能量的細菌一樣,以維持真核生物的複雜性

圖片來自維基百科

因為原核構造簡單、真核構造複雜,因此很自然地會認為原核生物應該早於真核生物,不過這只是推論;要驗證老祖宗屬於何種生物,還得做實驗。如果我們假設LUCA是原核生物的話,那真核跟原核生物之間共同的蛋白質種類就該比較接近原核生物。

Chuck Kurland等研究者用一種叫作「重疊總科FSF (fold superfamilies)」的方式將蛋白質根據三維結構進行分類,結果他們卻發現LUCA跟現代的真核生物比較接近。那麼古老的生物竟然有如此複雜的細胞構造…難道說真有某種智慧設計論在運作嗎?

其實並非如此。這個研究中的LUCA也已經經歷過許久的演化、天擇、甚至滅亡,過程中並不需要萬能的天神插手。所謂的共同老祖宗,也只是我們在演化之路上能找到的一小段而已。在他之前或之後,都有無數的演化曾經進行,或正在進行著。如此看來,LUCA當然可以很複雜,好比單細胞真核生物。

另一個問題隨之而生:那為什麼原核生物的構造會那麼簡單?但誰說簡單不是一種演化下的結果呢?或許原核生物的基因跟真核生物比起來很少,但是這種減法哲學跟極簡風格可沒有我們以為的那麼容易。將多餘的構造去除掉,使自己能在特別的脈絡跟環境下生存,靠得就是基因少、能夠大量快速繁衍的簡單構造,比起複雜的真核生物體內複雜的分子互動來說,這種高度特化且經濟的簡單性豈不更值得我們佩服嗎?

如果把生物比喻成旅行者,那麼細菌跟古菌就像是背包客,背著一只小小皮囊,火車來了就跳上去,搭飛機也不用多付額外托運費用;相反地,真核生物像是大包小包掛在身上的,手上還拖著個行李箱的遊客,把所有可能會派上用場的東西通通帶著,吹風機啦、餅乾啦、旅行指南啦,還有自己專用的原核生物(粒線體),真核生物沒有如同原核生物一樣花腦筋思考哪些東西其實用不著,但的確,當要用得時候,真核生物的妥當「傢私」當然就讓兩手空空的原核生物乾瞪眼了。

所以你大概、或許、可能會相信LUCA是複雜的生物,就像人一樣囉?別那麼肯定,因為還有別的可能可以解釋為何蛋白質重疊總科會普遍出現在生物樹的各類生物中,那就是「水平基因轉移」。我們都知道,跟路上的狗狗握個手不會把狗的基因帶走,或把人的基因傳給狗,但是在單細胞有機體的層次上,尤其是原核生物之間,水平基因轉移(HGT)很普遍,所以很難確定各種生物之間的共同蛋白質折疊不是透過後門被塞進來的。所以搞不好,LUCA本來是很單純的原核生物也不一定。

目前為止,對於LUCA的了解還很少,就連他是否具備DNA都不知道,但是隨著更多基因組被解碼,特別是來自於未經培養的有機體,未來科學家便可以更精準地判別出哪些基因是垂直轉移而來,哪些是水平轉移而來,我們也就可以更了解老祖宗的真相。

資料來源:The nature of our last common ancestor: simple and streamlined or complex and flabby?

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關於作者

小時候是那種很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。關心台灣的傳播環境跟媒體品質,現在是PanSci 泛科學網的總編輯。如果你想成為PanSci的專欄作者或是志願編譯,也可以跟我聯絡。kuowei@panmedia.asia