重写地球历史：新研究揭示早期生命比想象中更复杂

最近的一项研究表明，到新元古代时期，变形虫的不同谱系以及植物、藻类和动物的祖先已经出现，并在覆盖地球的两次全球冰川期中幸存下来。

大约8亿年前（mya），远在泛古陆形成之前，地球的生物多样性比以前想象的更加多样化。巴西研究人员通过重建古代变形虫和藻类、真菌、植物和动物祖先的生命进化树，提出了一种在这个时代多种不同物种共存的情景。他们的发现在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的一篇文章中有详细介绍。

根据文献，15亿年前首次出现的几个真核生物谱系在新元古代充氧事件（850-540mya）期间多样化并建立起来，当时由于地球地球化学的变化，大气和海洋中的氧气水平显著上升。

真核生物是由一个或多个细胞组成的有机体，其中DNA包含在一个独特的细胞核中（地球上除细菌和古细菌外的所有生命）。

研究人员的研究重点是变形虫的起源和分化时间，结果表明，许多变形虫以及植物、藻类、真菌和动物的祖先，甚至在冰川期（790-635亿年前，新元古代中期，在托尼纪之前，在埃迪卡拉纪之后）的两次冰川期都存活了下来。根据雪球地球假说，在这一时期，极地冰覆盖了整个地球大约1亿年。

挑战经典理论

该文章的最后一位作者、圣保罗大学生物科学研究所（IB-USP）丹尼尔·拉尔（Daniel Lahr）教授表示：“新元古代的经典范式是，除了一两种细菌和原生生物外，地球上几乎没有生命。然而，在过去的15年里，在世界各地的不同地点发现了单细胞、真核和异养生物的化石。这些化石的年代约为8亿年[被称为Tonian]。所有这些都加入了我们的研究，该研究重建了生命树，并使用最大似然估计来确定变形虫、动物、真菌和植物祖先的几个成熟的Tonian谱系。这从根本上改变了我们星球上生命多样化发生的方式的范式。”

换句话说，该研究将地球上生命大规模多样化的时间定在比范式早2.6亿年左右，远早于寒武纪大爆发（在541万年至530万年之间的寒武纪初期出现了新的多细胞生物）。在这一时期，地球主要由三叶虫、腕足动物和笔石等海洋无脊椎动物居住，气候温暖潮湿，没有冰川的迹象。

“尽管新元古代发生了所有气候变化，但真核生物仍然保持高度多样化，表现出比预期更大的适应性。这很重要，因为我们对系统发育树的重建也可以作为古气候重建研究的基础，”拉尔解释说。

“奇怪的是，变形虫当时生活在咸水中，而现在它们都生活在淡水中。自从有时间以来，这种变化在进化过程中经常被观察到，但在这些变形虫的情况下，它发生在所有谱系中，再次显示了这些生物的适应性。”

研究人员利用创新技术重建了阿米巴属的系统发育（进化）树，并在此基础上重建了生命之树，从植物、真菌、藻类和动物的主要祖先开始。

“这些变形虫是这次重建的基础。从那时起，我们就能看到先于其他群体的其他生物，它们一定也在大约80万年前出现并多样化了。”

系统发育树的重建

以前的研究已经揭示了变形虫的8个新的祖先谱系，变形虫是变形虫中最大的类群，是一个进化分支（一个共同的祖先和它的所有后代），原生动物的伪足形状像管子或扁平的裂片，用于运动和觅食。这种变形虫因其坚硬的甲壳而被称为“有壳变形虫”。

“借助数学概率模型，我们能够（从地球上现存物种的遗传数据）确定祖先变形虫的形态，并将其与化石形态进行比较。在这项研究中，我们确定了变形虫的祖先谱系，并在新元古代增强了这些生物的多样化，”拉尔说。

在发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究中，科学家们通过使用这些变形虫谱系作为校准植物、藻类、真菌、动物及其祖先的系统发育树的点，提高了他们对800万年前地球上生命的理解。FAPESP通过定期研究经费和博士奖学金支持这项工作。

“在发展生命之树的延伸过程中，我们对地球历史上一段一直不为人知的时期有了一些有趣的发现。通过根据变形虫的系统发育研究校准树，我们能够将新元古代真核生物的信息量增加一倍。我们对数据的分析表明，在这一时期，各种各样的谱系开始出现，其中一种是动物，另一种是真菌，可能还有植物，”拉尔说。

他解释说，研究中使用的创新技术之一是单细胞转录组学，即可以对单细胞或单细胞生物的整个转录组进行测序。转录组是个体或细胞群中所有RNA转录物的集合，包括编码和非编码。转录是基因表达的第一步，包括复制基因的DNA序列来制造RNA分子。转录组测序使研究人员能够反向追踪进化过程，识别生活在过去的物种。

“在这项技术发明之前，只能获得生活在培养中的单细胞生物的转录组，这意味着不到1%的微生物全部多样性。多亏了这一创新，我们才能将变形虫的系统发育作为一个整体来构建。这是一个高度多样化的群体，很有趣，因为它阐明了地球历史上这些有化石记录的时期，我们可以用它们进行比较。除此之外，在生命树中，变形虫更接近动物而不是植物，这一发现使我们能够进行重要的校准，”拉尔说。

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