复杂生命或提前近十亿年出现 新研究重写地球早期演化时间轴

研究由布里斯托大学牵头，联合多国科研团队完成，核心问题是：简单的原核生物如何以及何时演化为拥有细胞核等复杂结构的真核生物。 地球约在45亿年前形成，最早的微生物生命在40亿年前已出现，当时仅包括细菌和古菌两大原核类群，它们在随后的数亿年间长期主导地球生态系统。 真核生物——包括藻类、真菌、植物和动物——则被视为在此之后才逐步登场，但具体时间和演化路径一直高度不确定。

由于缺乏明确的过渡化石和中间形态，关于真核生物如何起源的各种理论长期停留在推测层面，现有时间估算往往相差高达十亿年。 为缩小这一不确定性，研究团队在传统“分子钟”方法基础上大幅扩展数据规模和方法体系，汇集了数百个物种的序列信息，并综合现有化石记录，构建出带有时间标尺的“生命之树”。 在此框架下，科学家进一步分析了上百个基因家族在不同生物系统中的演化顺序，重点追踪那些将真核生物与原核生物区分开的关键特征。

结果显示，向复杂细胞结构的转变大约在29亿年前便已启动，比部分既有估算早了近十亿年。 数据还表明，细胞核以及其他内部细胞结构明显早于线粒体的出现，这意味着细胞内部复杂化是一个漫长且逐步累积的过程，而非短时间内的突然飞跃。 研究团队据此认为，过往若干有关真核起源（真核发生）的主流假说与这一新的时间顺序难以完全吻合，必须重新审视。

在综合分子系统学、古生物学和分子生物学证据后，团队提出了一个新的演化情景模型——“CALM”（Complex Archaeon， Late Mitochondrion），意为“复杂古菌、晚期线粒体”。 该模型强调，真核生物的古菌祖先在获得线粒体之前，已经在结构和功能上实现了相当程度的复杂化，而线粒体的出现是这一复杂架构上的相对后期事件。 研究指出，线粒体的形成时间与地球大气中氧气首次显著上升大体吻合，这在一定程度上将生物演化与地球地球化学历史直接联系起来。

值得注意的是，分析结果显示，真核祖先中那些复杂特征的演化起步，大约早于大气含氧量显著提升近十亿年，发生在几乎完全缺氧的古代海洋环境中。 这与传统“氧气是高级生命必要前提”的观点形成鲜明对比，暗示复杂细胞结构的早期形成并不必然依赖富氧环境，而是在低氧、甚至无氧条件下便已展开。 在研究者看来，这为理解地球早期生态系统的多样性提供了新视角，也为探索类似环境中潜在生命形式（包括系外行星生命可能性）提供了重要参照。

论文作者之一指出，此次工作的独特之处在于不仅关注基因何时重复、何时出现，还详细考察了这些基因家族的具体功能，以及不同蛋白质之间的相互作用，并将这一切放在绝对时间轴上加以解析。 这需要古生物学来提供时间锚点，系统发育学来构建可信的进化树，再由分子生物学赋予基因家族生物学含义，属于多学科交叉协作的成果。 相关研究以“有时间标定的基因重复事件揭示真核生物的组装过程”为题发表于《自然》，进一步凸显其对重构复杂生命演化史的重要性。