重磅|54岁的唐世平回归了他14岁的梦想：细胞起源研究！

近日，复旦复杂决策分析中心主任唐世平教授再次“变道”！

他在Journal of Molecular Evolution《分子演化杂志》在线发表文章，题为The Origin(s) of Cell(s): Pre-Darwinian Evolution from FUCAs to LUCA（细胞的起源：从FUCAs到LUCA的前达尔文演化）。

54岁的唐老师回归了14岁时的梦想，大家都没想到吧！

唐世平教授认为，他这篇新文章提出的关于细胞起源的理论是迄今为止最为可信（most plausible）的理论。此前关于LUCA细胞起源的理论都几乎需要奇迹，而唐世平教授提出的理论让LUCA细胞的诞生不再是一个奇迹。

鉴于这篇文章发展了上个世纪最伟大的演化分子生物学家之一，卡尔·理查德·乌斯（Carl Richard Woese，1928.7.15–2012.12.30）教授与其合作者于1977年在Journal of Molecular Evolution发表的“The Concept of Cellular Evolution”这篇里程碑式的文章，唐世平教授将本文献给乌斯教授。

接下来，唐世平教授和他的合作者正试图用计算机模拟来展示，本文提出的关于LUCA细胞的诞生的理论至少在原则上是完全可行的。

Journal of Molecular Evolution是分子生物学领域的SCI期刊，2019年的影响因子是1.821。本文也是唐世平教授对他去年在Biological Theory发表的Pre-Darwinian Evolution Before LUCA（LUCA之前的前达尔文演化）一文的全面深化和细化。

【你所不知道的唐老师】

唐世平老师还在读高中的时候，通过科普读物知道了前苏联生物学家奥巴林提出的生命起源理论，之后他又知道了美国科学家米勒在模拟早期地球环境的实验中，用简单的化合物（甲烷、氨气、水、氢气）合成了生命的基础化合物之一的氨基酸。这一系列激动人心的研究使他着迷于生命的起源这一终极问题。所以在1981年填高考志愿的时候，除了报考武汉大学的生物学专业之外，唐老师还填了中国地质大学（当时叫武汉地质学院）的古生物学专业，最后阴差阳错地读了古生物学。

可惜的是，当时的唐老师并不知道古生物学对生命起源问题是无能为力的（图样图森破呀！）。在大学一年级的时候，他曾错误地以为借助古生物化学（比如从化石中提取DNA或其它物质）就能大致知晓生命的起源。大学二年级开始，唐老师逐渐意识到古生物学对生命起源问题是无能为力的。之后，他便放弃了对生命起源的探索，开始转向现代生物学（尤其是分子生物学）。先是自学考入中国科技大学攻读分子生物学硕士，之后在美国获得分子生物与遗传学的博士。如果说唐老师在中国地质大学读了四年本科有什么收获的话，就是免费旅游了中国很多地方。

【特别说明：“生命的起源”和“细胞的起源”并不一样：前者没有确定的标志，因为对“什么是生命？”的回答没有明确的共识。但是，“细胞的起源”（即，LUCA的到来）是确凿无疑的。因此，“细胞的起源”至少理论上是可解的。因此，LUCA不能和“地球上最早的生命”划上等号。】

另一个更深层的结构性原因则是，80年代的中国在科研上并未与世界挂上钩。以中国高校当时拥有的资源，恐怕没有学子能读到乌斯与其合作者在1977年发表的两篇重要文章（“The Concept of Cellular Evolution”发在Journal of Molecular Evolution上，另一篇发在PNAS上）。如果唐老师在本科阶段读到乌斯的研究的话，之后的人生也许就是另一个轨迹了。

【文章摘要】

“最终的万物细胞祖先”（The Last Universal Cellular Ancestor，以下简称LUCA）的到来，是生命演化过程中的分水岭事件。如果LUCA的到来标志着跨越了“达尔文门槛”，那么LUCA之前的演化一定是“前达尔文的”（Pre-Darwinian），且至少部分上是“非达尔文的”（Non-Darwinian）。但LUCA之前的前达尔文演化是如何运转的呢？

本文首先拓宽了我们对生物演化的核心机制（即变异—选择—遗传）的理解，然后把这个拓宽了的理解延伸到其自然起点，即，LUCA之前的“最早的万物细胞祖先群”（First Universal Cellular Ancestors，以下简称FUCAs）的起源。本文的假说的核心是，在前细胞时期，囊泡（vesicle）的形成和再形成是变异，它们之间的竞争便是选择。更具体地说，本文认为，囊泡通过破裂和再包装、原始胞吞、原始内共生和其他类似过程的吞并和合并，是前达尔文演化的核心变异力量和选择力量。这些新视角为研究FUCAs的起源及其随后向LUCA的演化提供了重要的新启发。

【内容简介】

1977年，乌斯与其合作者George Fox在Journal of Molecular Evolution上发表了一篇里程碑式的文章，提出了“细胞演化”（cellular evolution）这一重要概念，为细胞起源的研究奠定了基础。1998年和2002年，乌斯两度在PNAS发表文章，明确指出细胞起源是生命起源中的关键问题，也是更可解的问题。值得一提的是，乌斯也是古菌（Archaea）的发现者和“RNA世界”理论的先驱。

站在乌斯以及其他巨人的肩膀上，唐世平教授对细胞起源问题作出了新的探索。他指出，新达尔文主义演化论/现代综合演化论对变异—选择—遗传这个核心机制的理解过于狭窄，导致我们无法恰当理解包括细胞起源在内的诸多生物演化谜题。正因如此，本文用“持久”（persistence）来描绘非细胞实体的生存，用“再生”（reproduction）来描绘囊泡和原始细胞（可以生长，之后可以分裂，无论是否带有遗传复制）的复制。

本文出现的两个核心概念：LUCA和FUCAs，分别大致等于乌斯所谓的“genote”和“progenote”。不过，“LUCA”在生物学中通常是指最终的万物共同祖先（Last Universal Common Ancestor，以下简称LUCA），但由于生物学家普遍认为LUCA一定已是相当完整的细胞了，所以LUCA（作为“最终的万物细胞祖先”）比LUCA更恰当。

而唐世平教授原创的FUCAs，是指不同（原始）细胞谱系的群体。因此，本文把“普遍祖先”明确分化为FUCAs和LUCA两个阶段。

通过囊泡以及FUCAs的相互重组，LUCA的诞生将不再是一个奇迹。而由于LUCA的诞生源于囊泡以及FUCAs的相互重组，LUCA更有可能是一个“全能的”细胞，它能在相当不同的环境中生存。后来，当同一种群的LUCA进入两个不同的生态位时，它的两个子种群随后演化为两个最初的域（Domain）——细菌域和古菌域。

因此，本文通过拓展对前达尔文演化中的变异、选择和保留的理解，提出了关于FUCAs和LUCA作为最早的细胞的起源的新论题。本文的论题不仅被相当广泛的证据所支持，而且解决了关于FUCAs和LUCA的起源的一些关键争议。本文的论题还指出了进一步研究的新方向。

图1：FUCAs和LUCA的起源假说

【感谢刘长安同学的作图】

原始细胞或囊泡处于封闭的圆中，破裂的囊泡则处于破裂的圆中。病毒呈现细长形或其他非圆形。氨基酸与核酸在LUCA内的精确匹配，隐喻了标准遗传编码在LUCA时已演化得最完整。氨基酸与核酸在FUCAs内和FUCAs之前的囊泡内匹配度不高，表示了标准遗传编码从初级形式到LUCA内的成熟形式的演化路径。在LUCA阶段，病毒与细胞的比例是3:1，意味着病毒可能是生物圈中最充裕的生物实体。

【背景知识】

1. Journal of Molecular Evolution与“分子钟”（molecular clock）

莱纳斯·卡尔·鲍林（Linus Carl Pauling，1901.2.28–1994.8.19）是美国著名化学家，也是量子化学和分子生物学的重要先驱之一。鲍林在化学键方面做出了杰出贡献，提出了价键理论、杂化轨道、电负性、共振理论等重要概念和理论，故而获得了诺贝尔化学奖。之后，由于反对地面核试验，他获得了诺贝尔和平奖。在生物学方面，鲍林对血红蛋白的结构展开过研究，也提出了α螺旋和β折叠等蛋白质二级结构理论。

1962年，鲍林与自己的博士后埃米尔·祖卡坎德尔（Emile Zuckerkandl，1922–2013）一起提出了“分子钟”这个重要理论（Emile Zuckerkandl and Linus Pauling. 1962. "Molecular Disease, Evolution, and Genetic Heterogeneity." In M. Kasha and B. Pullman (eds.), Horizons in Biochemistry, New York: Academic Press, pp. 189–225; Emile Zuckerkandl and Linus Pauling. 1965. "Moleculesas Documents of Evolutionary History." Journal of Theoretical Biology 8 (2): 357–366）。基于这一核心理念，Journal of Molecular Evolution于1971年创刊，祖卡坎德尔是该杂志的创刊主编，鲍林则是该杂志的创始编委之一。

1962年，鲍林和祖卡坎德尔在比较多种动物的同一血红蛋白分子的氨基酸序列时发现，随着时间的推移，氨基酸以大致恒定的比例变化着。他们把这一观察推广，提出了分子钟理论，即特定的生物大分子（比如蛋白质、RNA）在所有演化谱系中的演化速率保持恒定。这就意味着我们可以根据该演化速率和当前分子上的差异，来推断不同物种在演化史上的物种形成时间，或者说，推断其最终的共同祖先的存在年代。之后，日本生物学家木村资生（Motoo Kimura，1924–1994）于1968年提出了分子演化的中性理论，给分子钟提供了理论基础和延伸。

图2：莱纳斯·鲍林（左）、埃米尔·祖卡坎德尔（右）

不过遗憾的是，分子钟并不是推断最终的共同祖先的万能方法，因为它的核心假设——特定大分子在所有演化谱系中的演化速率保持恒定——至少面临两大事实的挑战：同一大分子在不同物种中的演化速率有所不同；甚至同一大分子的不同部位的演化速率都有所不同。前一个事实有多个解释：不同物种的细胞修复自身DNA的能力不同；不同物种的生命周期不同（所以单位时间内生殖细胞的分裂次数不同）；不同物种的代谢速率不同（所以单位时间内产生的自由基数量不同）。而后一个事实可以用木村资生的中性演化理论来解释：对蛋白质的结构和功能影响不大的位点的演化往往是中性的，所以看上去演化得“快”，但对蛋白质的结构和功能影响较大的位点的演化多数是负面的，会很快在自然选择中被淘汰掉，导致看上去演化得“慢”。

2. 颠覆传统的生命之树的发现——古菌（Archaea）

1977年，基于对核糖体16SRNA的比较，乌斯与其合作者发现，除了细菌和真核生物之外，还存在另一大类生物，他们把它称之为“古细菌”（archaebacteria，后来简写成Archaea，也就是现在所谓的古菌）。至此，古菌变成与细菌和真核生物并列的第三个域。而我们今天知道，LUCA或LUCA最初只分化为细菌域和古菌域，所有真核生物都是从一类特别的古菌吞并了一类特别的细菌而演化出来的。

图3：卡尔·乌斯

【关于唐世平教授此前对卡尔·乌斯的介绍和讨论，参见唐世平，“科学进步不能只靠内

循环”，2020-10-07，

https://www.163.com/dy/article/FO5BJN280516JCVA.html】

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00239-021-10014-4

欲知唐世平教授如何能博采众长，纵横学术江湖，不妨看看他是如何“以众人为师”，领悟不同学者的风格，之后融会贯通而“思无涯”。

《众人皆吾师》

作者：唐世平

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《观念·行动·结果：社会科学方法新论》

作者：唐世平

END

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