生命如何变复杂：饥饿可导致酵母菌遗传变异

地球是目前唯一已知存在生命的星球，更别说是复杂生命体了

研究地球上生命的起源与演化将有助于在其他星球上搜寻生命，比如火星

扫描电镜下的一种酵母菌

新浪科技讯 北京时间12月21日消息，据物理学家组织网站报道，当天体生物学家们思考其他行星或卫星上存在生命的可能性时，他们一般假定的都是简单的生命体。比如针对木星的卫星木卫二，当科学家们在那里尝试搜寻生命时，他们的目标并非复杂的生命体，而是类似细菌那样最简单的生命形式。

但是在简单生命的基础上，复杂生命形式迟早都会发生，而这正是在地球上出现的情形，这种情况同样应当会在其他星球上发生。化学演化究竟如何会最终形成我们今日所见的复杂生命形式?其中究竟发生了哪些转变?

弗兰克·罗森茨威格(Frank Rosenzweig)是美国蒙大拿大学的一名进化遗传学家。在美国宇航局天体生物学研究院的资金支持下，他在过去的5年间一直致力于对这些问题的研究。他的实验室努力探究生命如何演化出一些“复杂属性”，他们研究与之相关的一切东西，从寿命到生物多样性。

罗森茨威格表示：“在我的职业生涯中，我一直对适应现象的基因基础，以及复杂生命如何从简单基因复制中产生感兴趣。与这些问题相关联的还有其他一些方面的因素，如遗传学上的“初始点”以及生态环境会如何对进化改变的节奏和路径造成影响。”

在太阳系中寻找生命

目前我们知道只有在地球上存在复杂生命体，但科学家们目前还无法排除在太阳系中其他天体上是否同样存在复杂生命的可能性。我们对于生命演化的认识可能会通过 对土卫六的研究得到深化，这里的碳氢化学环境被认为具备了构建一个生命系统的基础条件。研究人员日前尝试重现土卫六大气中的一种被称作“索林”的物质成 分，这是太阳辐射轰击土卫六大气中的甲烷和氮气产生的有机悬浮颗粒物。

理解索林和其他成分如何在土卫六上形成，将帮助研究人员了解早期地球如何演化出生命现象。同样的，对地球上生命现象以及其他生化基础如何从简单化学成分成功演化出复杂而相互依存的生命现象，也将有助于揭示生命如何在其他行星或卫星上形成。

在地球上，这样的转变中就包括从单个蛋白质逐渐组合形成蛋白质网络。比如说，单细胞的细菌进化形成真核细胞，其中包含有两个甚至三个基因组。与此同时，相互 竞争的微生物最后组成了一个互惠互利相互合作的共同体，如热泉喷口附近的细菌席，以及人体肠道里有时候检出的微生物膜。每一次这样的转变都造成生命体复杂 程度以及相互依存程度的提升，而由它们所组成的整体也不断拥有更大的自主权。

罗森茨威格表示：“在化学演化，前生命演化，极端环境以及生命信号等方面还有很多工作要做。这个想法非常打动我，我认为值得为此说服美国宇航局在其研究领域中添加一些项目，着眼于理解主要进化转变过程背后的基因机制。这些进化过程最终导致了更高等级复杂生命的出现。”

为此，罗森茨威格的研究主要集中在4个有关领域，在这些领域，复杂系统从简单系统中出现并演化而来，它们分别是：新陈代谢，真核细胞，互利共生现象以及多细胞生命体。他同时也对第5个领域投入关注的目光，那就是变异和基因相互作用——这些因素对于复杂系统能以多快的速度出现都具有非常关键的作用。他相信在实验室中进行的旨在重复地球上生命演化历程的实验将有助于我们未来在火星，木卫二，土卫六以及其他星球上寻找适合生命生存的环境。

罗森茨威格计划组件8个不同的专门团队，分别对应与进化以及从简单生命向复杂生命变化方面相关问题的研究。而为了将这些团队的实验结果整合为一个更加综合的体系结构，他还招募了一些人类遗传学以及统计物理学方面的理论专家参与工作。

在地球之外的应用

罗森茨威格此前的NASA拨款来自宇航局地外生物学及演化生物学项目。其中的首个项目从2007年开始进行，研究了酵母菌的遗传物质(或基因组)在资源有限的环境条件下将如何发生变化。而第二个项目从2010年开始进行，主要内容是考察大肠杆菌遗传型的生成细胞以及它们在其中演化的环境条件会如何影响其后代种群的多样性和稳定性。

这第一项研究得到了一个意想不到的结果：资源匮乏产生的生存压力会造成基因组发生重组的频率。压力造成物种种群中出现更多遗传变异的个体，其中就有一部分会被证明在艰难环境下具有更强适应性。事实上，此前的研究已经证明了新的遗传变异是与生存压力相关联的。在2013年，罗森茨威格的一个研究组，由蒙大拿大学教授艾吉因·克洛尔(Eugene Kroll)领衔的研究团队开始对酵母菌如何对饥饿做出反应开展研究。

这项研究目前已经得到了部分结果，并发表了论文，题目是《与饥饿有关的基因重组可导致酵母菌生殖隔离》，这篇论文已经刊载于2013年出版的PLoS One 杂志上。在这篇文章中，克洛尔和罗森茨威格证明了，在那些含有对环境压力适应遗传基因的酵母菌与它们的祖先之间出现了生殖隔离。这一实验证明了，至少在低等菌类中，地理隔离并非是产生新种的必要条件。在2014年夏季，研究组获得了美国宇航局地外生物学及演化生物学项目的另外一个研究任务：找出适应现象，以及饥饿的酵母菌中产生生殖隔离背后的基因机制。

罗森茨威格指出，这项研究的一个非常重要的特点就在于大多数研究都着眼于研究这些生物在良好环境下的表现，而我们的实验则要求将酵母菌至于几乎“饥荒”的环 境中。这样的情况可能也正是在自然界中真正的物种所面临的情况，当环境发生迅速改变，种群中部分成员发生遗传变异，以更好地适应新环境。与饥饿的环境设置 相似，突然变化的温度条件，更高等级物种的入侵等等，这些都会构成环境压力的来源，并对未来开展在其他星球上对生命现象的搜寻有所帮助。

实际上，贯穿这些实验始终的一个重要目的便是，透过在实验室中对这些单细胞生命进行的实验研究，我们希望能够了解任何具有自我复制能力，由信息分子编码确定内部结构以及功能的所有其他生命体种群演化的节奏与路径。

罗森茨威格表示：“我想要提请天体生物学研究同行们注意的是有关分化的线索，不管是新陈代谢系统中的不同蛋白质，某一物种种群中不同的基因型，单个细胞中不 同的基因组，或是多细胞生命体内不同的细胞。在这些情况下，分异开启了一扇门，不仅通往竞争，也产生了不同变种之间的相互合作以及分工形式的产生。”他 说：“我们应当意识到，不管它们的遗传密码如何，在其他星球上的生命体也应当发生了分化变异。因此，我们应当留意那些由更加复杂的生命体遗留下的线索，而 不仅仅是盯着那些最简单的生命体。”

作者：阳光森林