最近，《PNAS》發(fā)表重磅研究，揭示了地球生命演化史上最顯著(zhù)的復雜性增長(cháng)：真核細胞的起源。盡管內共生理論已被廣泛接受，但自古菌與細菌融合以來(lái)的數十億年導致進(jìn)化樹(shù)上幾乎缺乏真核細胞出現之前的演化中間體，這一知識空白被稱(chēng)為生物學(xué)中心的“黑洞”。“這項新研究結合了理論與觀(guān)察方法，定量分析了生命的遺傳結構如何轉變，以實(shí)現如此顯著(zhù)的復雜性增加，”參與該項目的JGU代表Enrique M. Muro博士說(shuō)道。

蛋白質(zhì)及其編碼基因的長(cháng)度增加

研究揭示了蛋白質(zhì)長(cháng)度及其對應基因的分布在整個(gè)生命樹(shù)上遵循對數正態(tài)分布。為此，研究團隊分析了9913種不同的蛋白質(zhì)組和33627個(gè)基因組。對數正態(tài)分布通常是乘法過(guò)程產(chǎn)生的結果。遵循Ockham剃刀原則，研究人員對基因長(cháng)度分布的演變進(jìn)行了乘法隨機過(guò)程建模。他們將所有遺傳操作符的作用與序列長(cháng)度結合進(jìn)行了建模。從LUCA（生命三大領(lǐng)域——細菌、古菌和真核生物的假設共同祖先）開(kāi)始，研究人員發(fā)現，平均基因長(cháng)度在不同物種的演化過(guò)程中，理論和觀(guān)察上均呈指數增長(cháng)。

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圖片信息：蛋白質(zhì)編碼基因長(cháng)度分布隨進(jìn)化時(shí)間的演變

此外，他們還發(fā)現一種跨越整個(gè)生命樹(shù)的基因增長(cháng)尺度不變機制，其中方差直接依賴(lài)于平均蛋白質(zhì)長(cháng)度。通過(guò)展示33627個(gè)基因組中的所有物種，研究團隊能夠驗證這些預測，并顯示平均基因長(cháng)度是生物復雜性的有效替代指標。馬德里理工大學(xué)的Bartolo Luque博士補充道：“通過(guò)知道一個(gè)物種中編碼蛋白質(zhì)基因的平均長(cháng)度，我們可以計算出該物種內基因長(cháng)度的完整分布。”

在不同物種中，代表平均蛋白質(zhì)長(cháng)度與其對應基因長(cháng)度的演變過(guò)程中觀(guān)察到，它們在原核生物中幾乎是同時(shí)演化的，因為它們的基因幾乎沒(méi)有非編碼序列。然而，當平均基因長(cháng)度達到1500個(gè)核苷酸時(shí)，蛋白質(zhì)與基因增長(cháng)的乘法過(guò)程開(kāi)始脫鉤，真核細胞的平均蛋白長(cháng)度在約500個(gè)氨基酸處達到了穩定的閾值，標志著(zhù)真核細胞的出現。從這一點(diǎn)開(kāi)始，平均基因長(cháng)度繼續增加，與原核生物的情況相似，這主要源于非編碼序列的存在。

算法相變

關(guān)鍵現象分析的結果顯示，在1500個(gè)核苷酸的關(guān)鍵基因長(cháng)度處發(fā)生了一次相變，這一現象在磁性材料的物理學(xué)中已有廣泛研究。這標志著(zhù)真核生物的起源，并將生命演化劃分為兩個(gè)不同的階段：編碼階段（原核生物）和非編碼階段（真核生物）。此外，觀(guān)察到這些轉變的特征現象，如臨界減速，系統動(dòng)力學(xué)在許多亞穩定態(tài)附近被困住。“這一現象在早期原生生物和真菌中得到了實(shí)證支持，”瓦倫西亞大學(xué)的Fernando Ballesteros博士表示。

“而且，這一相變具有算法性質(zhì)，”蘇黎世大學(xué)的Fernando Ballesteros教授補充道。在編碼階段，接近LUCA的情境下，短蛋白質(zhì)的長(cháng)度增加使相應基因的增長(cháng)變得計算上簡(jiǎn)單。然而，隨著(zhù)蛋白質(zhì)長(cháng)度的增長(cháng)，尋找更長(cháng)蛋白質(zhì)的可能性逐漸降低。由于基因的增長(cháng)速率與之前相同，而蛋白質(zhì)卻無(wú)法繼續保持這一增長(cháng)，最終通過(guò)將非編碼序列納入基因中得到了解決。這一創(chuàng )新使得尋找新蛋白質(zhì)的算法迅速降低了計算復雜性，通過(guò)剪接體和細胞核實(shí)現轉錄與翻譯的非線(xiàn)性分離。這一改變發(fā)生在相變的臨界點(diǎn)，研究將這一時(shí)間追溯至26億年前。

“該研究有可能在許多學(xué)科中吸引廣泛的受眾群體，并為其他群體探索不同的研究途徑，例如能源或信息理論等基礎，”Muro博士強調。真核細胞作為地球生命演化史上最顯著(zhù)的復雜性增長(cháng)，體現為一次相變，并開(kāi)啟了通往其他重大轉變的路徑，如多細胞性、性別和社會(huì )性，這些特征共同塑造了我們今天所知的地球生命。

期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences

DOI：10.1073/pnas.2422968122