什麽是「生命亲缘树」?古菌启发人类对火星生命的想像——《穿越 4.7 亿公里的拜访》
2022 1月 17 By 科学探索家 0 comment
  • 作者/前NASA太空任务科学家 李杰信

以目前人类拥有的火星知识推测,如果火星曾经有过生命,种类可能与地球最古老的生命接近。

什麽是地球最古老的生命呢?我们几乎可以想像地球生命起源时的环境:无氧、地表炽热、火山活动频繁、甲烷广布、硫磺浓汤漫流。如果生命在这种条件下起源,那最古老的细菌,也就是人类和所有地球生物的老祖宗,必得有耐高温、厌氧、喜硫磺和甲烷等的古怪个性。

人类对地球生命的认识和分类,经过好几个重要阶段。18 世纪时,人类把生命分成动物和植物两大类。这种分类法显然过於粗糙,有些拥有叶绿体的单细胞生物,能蠕动或用鞭毛游动,它们究竟是动物还是植物?而真菌类一向被归入植物类,但它却无叶绿素。於是有一阵子,地球生命就被分成动物、植物、原生生物三大类。直到 20 世纪初,细菌分类学有了长足的发展,才将有核细胞生物(真核生物,包括动物、植物、真菌、原生生物)和无核细胞生物(原核生物)的细菌分开。

细菌虽然一般以形状分类,如杆菌、球菌和螺旋菌等,但这种分类无法建立起它们之间的亲缘关系,在当代是一件头痛而无法解决的问题。一直到 20 世纪 60 年代,基因工程技术出笼,生物物理学家渥易斯(Carl Woese, 1928~2012)认为,核糖体核糖核酸(ribosomal ribonucleic acid, rRNA)排列顺序保存了久远的生物演化纪录,并且这种排列顺序变化缓慢,容易追寻亲缘关系。他以这种排列顺序为准,决定出各类细菌间的亲疏远近,发现总称的细菌中含两类截然不同的细菌,他分别命名为细菌和古菌两大类。加上动物、植物、真菌、眼虫、微孢虫等所属的真核生物,终於完成目前完整的生物三界说的生命亲缘树(universal phylogenic tree,图9-1)。

渥易斯在 1977 年底发表的古菌域发现,是一项划时代的成就。当作者第一次看到古菌所涵盖的各类细菌时,的确被震撼了一下。古菌类皆厌氧,含甲烷嗜热菌(methanothermus)、甲烷球菌(methanococcus)、嗜热纤维菌 (thermofilum)、热网菌(pyrodictium)、硫还原球菌(desulfurococcus)、硫球菌(sulfolobus)等,几乎就是想像中伊甸园里该有的生命。另外,生命树根的所在,虽然还没有完全确定,一般认为应在古菌树干的下面。

地球最原始的生命似乎是厌氧嗜热菌,生活在摄氏 90 度以上的环境,使用硫、氢、二氧化碳等地质化学能量生长繁殖。如果温度低於摄氏 80 度,则生长停止。所以,地球所有生物的祖宗,应是依赖化学合成能量、居住在热泉里的古菌。生命一旦开始,就能适应外界逐渐变化的环境。环境如果变得实在无法忍受,有的古菌就停止一切生命机能,进入亘古冬眠,等待佳机复苏。1992 年,美国国家研究委员会(National Research Council, NRC)报告,一个嗜盐古菌(halophiles)冬眠 2 亿年,经实验室培养後,恢复生命活力[注1]。南柯一梦数亿年,生命顽强力可见端倪。

古菌域的发现,使人类对生命的看法焕然一新。生命原来可以适应那麽多种极端的自然环境,只要给予一线生机,生命就能蓬勃发展。我们对生命重新树立起了更崇高的敬意。

地球古菌类的发现,照亮了人类探测火星生命的道路。地球古菌类的生活习性,能告诉人类它们起源时的生命环境。那种环境可能与火星 35亿~38 亿年前时相差不远。火星那时也有水、火山活动及热泉,地球能发展出生命,为什麽火星不能?

注解

  • 注 1:“Biological Contamination of Mars,” National Research Council, National Academy Press, Washington, 1992.

——本文摘自《穿越4.7亿公里的拜访:追寻跟着水走的火星生命》,2021 年 7 月,三民。

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