在大約45億年前，我們的地球形成了。而且如果沒估計錯誤的話，沒過多久地球上就誕生了生命。生命誕生的具體細節我們知之甚少，因為想弄清楚其中的原委並沒那麼容易。不僅如此，想要弄清楚在一切生命出現後最初的幾十億年的光景中發生的事情也極為困難。
其中一個棘手的未解之謎就是真核細胞如何出現。真核細胞具備分工明確的內部分區、細胞器，並且這種細胞只存在於動物、植物、真菌和一些微生物，比如原生生物——在進化論的意義下，我們人類和他們還沾親。早期的真核細胞並沒有給我們留下化石線索。研究者只能通過後代細胞的結構與分子細節和二者之前的進化關係去推測早期細胞的「真面目」。
西班牙巴塞隆納進化生物學研究所的博士後 Michelle Leger 認為：現在是對於進化研究的 「激動人心的時刻」。利用現代基因測序技術，科學家們可以讀取不同生命的整個基因組數據；揭示微生物生命的種種細節；解開新物種和其他生物類群的面紗。在擁有如此大量的數據之後，研究者就能追溯生命的譜系。「我們在嘗試利用多種手段去解決問題，這些方法讓我們距離最早期的真核生物更進了一步。」
近期相關研究可能的跡象表明，首批真核生物的形態可能跟科學家所預期的大相逕庭。本月初，一個研究團隊的研究結果表明：真核生物進化中的標誌性事件——線粒體細胞器的發育——可能與理論所設想的完全不同。
與此同時，其他研究人員提出另一個觀點：所有真核生物的最早「祖先」可能根本不是某一個細胞，而是一個迫切渴望能交換 DNA 的混合細胞群。這個差異非常微妙，但對於理解真核生物的進化以及他們多種多樣的形態卻至關重要。
真核生物的祖先：從線粒體發展新理論說起
地球上最初的細胞是以原核細胞的形態出現的，但這些細胞不都一樣。即便是在早期，它們就分成了倆支譜系：古細菌和細菌。古細菌可能是最早「繁榮興旺」的原核生物，因為它們能在諸如熱噴口和超鹽水池等原始地球上常見的極端的環境中存活。而且，古細菌和細菌可能從一開始就分化開來，分別進化。因為年代久遠，我們已經很難弄清楚這種分化是怎樣以及如何產生的。
由於單細胞形式的生物想要以化石形態保存異常艱難，我們缺乏化石證據，以及這兩個物種都存在水平的基因交換，這使得基因組歷史分析工作極為複雜。
一些「不合群」的古細菌細胞從其他細胞中分離出來，構建了真核生物這個全新的生物分支。這就是我們所知的真核生物起源的故事了。
從根本上來說，我們自己就是一團非常奇怪的古細菌。
—— 波爾多大學和雪梨大學的生物學哲學家 Maureen O』Malley
生物學哲學家 Maureen O』Malley 對真核生物的進化過程保持著開放的態度。她認為：基於已知的真核生物的多樣性，這些生物的共同祖先「不可能是某個單一的細胞「。
找出真核生物的首位共同祖先會是一場艱難的鬥爭。比如說，這種細胞還沒有形成細胞核。它沒有能將糖類等分子轉變為更益於代謝的能量形式的線粒體，它甚至沒有微管——真核細胞中的一種骨架狀的蛋白質結構，能夠分割細胞內的空間，使得物質能更精準有效的運送到需要的地方。
沒有人知道真核生物如何具有了這種別的生命形態所不具備的共有特徵。根據上周的 Nature Microbiology 報到，由歐洲與美國研究院所組成的研究團隊提出了一個進化生物學裡程碑研究結果——線粒體發展的新理論。幾十年以來研究者已經得知有一種細菌成為了古細菌的內部共生體，線粒體就來自這種細菌。但是研究者並不知道這個過程的具體細節。
荷蘭皇家海洋研究所的微生物生態學家 Anja Spang、瑞典烏普薩拉大學研究基因組進化的微生物學家 Thijs Ettema 和他們的同事通過觀察 Asgard 古細菌代謝能力得到了線索。Asgard 古細菌是幾年前才被發現的一個總門，通常認為 Asgard 古細菌與真核生物最為接近。
因此科學家得出了結論，線粒體的誕生可能來源於古細菌與α-變形菌共生。蘊含著某些小分子的古細菌產生的代謝廢物蘊含氫和氫離子，這些物質被細菌利用，從而菌孕育出了線粒體。
關於線粒體起源的新思考。通常認為線粒體是由原核細胞與一種古細菌的共生關係中進化而來，然而最新的研究表明，以前對這種「共生關係起源」的思考可能是錯誤的，並且其他細菌的遺傳基因對線粒體的進化也起到了作用。
Spang 和 Ettema 在一封郵件中這樣解釋這件事情：「這樣的關聯對一些小有機質的生長更為有利」。一些在無氧條件下生存並代謝碳氫化合物的現代古菌就是依靠細菌來接受它們的電子。「真核生物的古細菌祖先可能就具備類似的相互作用」。
隨著時間的推移，其他細菌基因的橫向交換能為我所熟知的線粒體提供更多的功能。同時，古細菌的宿主和古細菌的共生菌之間也會發生基因交換，並且多餘的基因會被遺棄，這使得原本分離的共生細胞結成了一個統一的真核細胞。
研究人員認為儘管這一理論能夠解釋線粒體的起源，但並沒解釋其他重要的細胞器的起源。Spang 和 Ettema 寫到：「按理說，一旦細胞核進化出來，我們就用真核細胞這個詞。但目前我們並不清楚線粒體與細胞核二者出現的時間先後順序。」他們認為如果古細菌在與α變形菌共生之前就具備了真核生物的特徵，可能會對這種轉變更有利。例如，肌動蛋白的纖維可以讓宿主和共生體之間的結合更牢固，從而讓二者間的代謝耦合的更好。
最近共同祖先：單個細胞還是細胞族群？
總的來說，真核細胞的起源仍然蒙著一層神秘的面紗，這是因為現今世界上存活的真核生物都已經是非常複雜的有機體了。出於我們所不知道的原因，FECA 成為了所有真核生物的最近共同祖先。
LECA 是其他一切仍然存活與已經滅絕的真核生物的祖先——甚至也包含我們尚未發現的物種。相比於 FECA，LECA 就比較容易琢磨了，因為它可能與現今存在的一些真核微生物類似。新斯科舍省達爾豪斯大學的分子生物學家 W. Ford Doolittle 說：「事實表明，所有有細胞核的生物都有線粒體、高爾基體和其他東西。可以說，LECA 已經是一個相當複雜的真核細胞了。」
實際上，LECA 的結構被認為是非常直觀的 ，以至於有人認為它無聊透頂。紐西蘭奧克蘭大學的分子進化學者 Anthony Poole 說：「壓根就不會有人願意勞神費力地去爭論 LECA 的本質。」
不過，關於 LECA 的爭論還是存在的，因為 LECA 通常被視為一個細胞，所有真核細胞生物的單一祖先。但 O'Malley 認為這是錯誤的——LECA 不可能是一個單一的細胞，她認為人們把譜系想像的太簡單了，並混淆了血統和祖先的區別。譜系學思想僅僅是把所有分化出來的譜系連回到單細胞譜系。
在 Nature Ecology & Evolution 的一篇論文中，O'Malley 和她的同事談到了一個推斷：如果 LECA 不是一個單一細胞，而是一個真真切切的具備遺傳多樣性細胞群體，那麼這些細胞中的每一個細胞都不具備今天真核細胞的全部特徵。
O'Malley 說：「我們所提到的 LECA，指的是一個祖先的群體，一個我們認為不是單個細胞的基因組。」
論文的合著者 Leger 解釋道：「致力於重建 LECA 的研究者如何看待 LECA？他們能否構想出一些遺傳變異的假設去解釋觀測到的現象？我們這篇論文真正想做的只是探討這兩個問題。」
O'Malley，Leger 和他們的同事認為：如果要真正理解 LECA 並解碼它的基因組，以此來更全面的理解真核生物，我們需要明白古老的種群是什麼樣子的。
泛基因組與LECA重建
諾丁漢大學的 Bill Wickstead 和他的同事們也在試圖重建 LECA。他們致力於重建蛋白質組，即 LECA 可能製造的全部蛋白質集合，從不同的真核譜系中提取基因組和蛋白質組，並用統計學方法來確定哪些特徵最有可能出現在他們的共同祖先中，哪些特徵是獨立進化出來的，而哪些又是在譜系中水平傳遞的。
諸如此類的分子生物學工作為揭開 LECA 的面紗帶來了最大的希望。
Wickstead 認為，這個方法的關鍵在於祖先蛋白質組和基因組到底是存在於一個細胞中？還是分布在一群細胞中？不過這不影響該類項目的進程，這個工作是在做基因數據的統計推斷，並不是追溯細胞分裂過程。
西班牙巴塞隆納進化生物學研究所的博士後 Michelle Leger 認為：有了現代基因測序技術，使得探索生命早期歷史的工作到了「激動人心的時刻」。
Wickstead 認為：「從 LECA 基因組的角度而言，一個細胞還是一群細胞並沒什麼區別。」也無非就是除基因複製以外還多了基因交換。
但是，正如 O'Malley 和 Wickstead 所指出的那樣，這種區別並不僅僅是語言上咬文嚼字的問題。Wickstead 認為：從資料庫中所重建的基因組是僅僅來自一個細胞還是分布於多個細胞中，這是一個對理解基因組作用至關重要的問題——這也就是遺傳學和細胞生物學的區別。
他和他的同事們對重建 LECA 的基因組和蛋白質組最感興趣，因為這樣做就能了解 LECA 的生物學能力。「但這些是否都能存在於一細胞中，還是說，要避免彼此的衝突而打破它。」
「附屬」基因與泛基因組
Leger 認同這一點，搞清楚 LECA 到底是一個細胞還是多個細胞有助於研究員更好的理解基因組數據。她表示：「如果你試圖搞清楚當今的眾多真核生物的共有特徵，那麼你會發現 LECA 的基因組得的大嚇人，能編碼出太多的蛋白質以至於無法正常工作。」而單一的真核生物是無法承擔這樣大的基因組的。
一個我們所熟悉的微生物——大腸桿菌，就出現了類似的問題。大腸桿菌是一個被分成許多遺傳菌株的單一物種。如果你從多個大腸桿菌的菌株中提取基因組，很明顯會發現不同的菌株有不同的基因——不僅僅是基因變體的不同，而是不同的細胞株存在或缺失一整套的基因家族。每種細菌都有一個基因組，其中大約包含 4200 到 5600 個基因。所有的大腸桿菌所共有基因大概是 2200到3100 個，其餘的基因來自至少 89000 個可能的「 附屬」基因。
儘管這些基因對細菌的存活並非至關重要，但它們也確確實實的在諸多方面影響著細菌的生存。
成千上萬附屬基因的變異解釋了為什麼有些菌株有毒，而另一些沒有；一些菌株可以在某種環境中生存、以某些食物為食，而另一些不能。
附屬基因可以從一個菌株水平傳遞到另一個菌株，或者說品系，因此如果我們想要了解大腸桿菌這個生物的總體能力，我們需要獲得一個物種基因變異的完整圖景，或者就像研究者所說的——一個泛基因組，一個物種的泛基因組是它所有品系基因的總和。
真核生物的複雜譜系，從資料庫中所重建的基因組是僅僅來自一個細胞還是分布於多個細胞中，這是一個對理解基因組的作用至關重要的問題。
泛基因組這個概念誕生於 21 世紀初期，當時科學家們意識到病原菌的參考基因組序列無法獲取到生物體的全部遺傳變異信息，結構簡單的單細胞生物有著遠超多細胞生物的變異速度和水平傳遞遺傳信息的能力。所以從那時起，科學家們就意識到了泛基因組在原核生物中所起到的重要地位。但因為在真核生物中基因水平轉移的情形並不多見，所以長期以來人們對真核生物的泛基因組這一概念理解的並不深刻。
這種觀點正在慢慢轉變。最近對四種在醫學上重要的致病真菌的基因組進行分析後科學家發現：它們有泛基因組。它們基因組的 10~20% 是由附屬基因組成。這些附屬基因對真菌抗生素的抗藥性起到了重要作用。
我們所提到的 LECA，我們可能指的是一個祖先的群體。並非單一細胞的基因組群體。
——波爾多大學 Maureen O'Mal
其實我們人類也有泛基因組。「當我們第一次對人類的基因組進行測序時，人們對此大為稱讚——『人類終於擁有了自己的生命藍圖！』，但實際上我們並沒有」，Wickstead 這樣說道。以近期的一個研究為例，910 名非洲後裔研究對象的基因中有 10% 不在人類參考基因組中。Wickstead 說：「基因組中缺失的基因是人類多樣性的一部分，這會使人對藥物、環境等等重要的事情做出不同的反應。」
如果原核生物中存在的泛基因組也存在於真核生物中，那我們以前認為真核生物沒有泛基因組就顯得錯的離譜了。Wickstead 和其他科學家推測。他們當初試圖重建的 LECA 基因組可能就是泛基因組。
這對康乃狄克州大學的進化生物學家 J. Peter Gogarten 來說是有意義的。對於他的研究來說，O'Malley、Leger 和同事的論文明確了這樣一個觀點：「為了能真正理解真核生物的起源，我們要構建能描述基因進化史的網絡，而不是重建細胞進化樹。」這已經是他提倡過一段時間的事情了，他不再把 LECA 視為一個單一的細胞，而是把它視為一個由不同的細胞組成的細胞群。通過這個思路，我們可能更好地穿過進化史的煙雲，觀察神秘的第一批真核生物。
儘管如此，Gogarten 還是對這個推測做出了一些限制：LECA 可能是一個細胞群，但他確信這不會是一個細胞數量眾多，泛基因組多樣龐雜的細胞群。物種數量更大、泛基因組更大、甚至是二者兼而有之的細胞群可能存在於 FECA 和 LECA 之間的過渡階段。這也就是把祖先視為種群而不是個體能有助於我們理解真核生物的起源的原因。但 Gogarten 認為等到了 LECA 出現的階段，事情已經穩定多了。
紐西蘭奧克蘭大學的分子進化學者 Anthony Poole 對 LECA 中存在大而多樣的泛基因組這一觀點持懷疑態度。
Poole 同意這一觀點。他表示，大多數專家覺得 LECA 的重要特性並不能被泛基因組解釋。「我們沒有這樣的模型『能讓你在兩個細胞間公用一個核糖體』，這在理論上是不可能的。」
但隨著科學家對早期細胞和他們在所處環境中的行為多樣性有了深入的了解。對LECA 與泛基因組的關係研究可能會更進一步。這也就是為什麼 Leger 認為要思考 LECA 是否可能是一個更大更龐雜的泛基因組。處理一些糖類物質的能力是新陳代謝的關鍵，可能分布在細胞群中被共享，而不是在每個細胞的個體內。這可能讓這種微生物比其他的微生物能適應更多的環境。
Leger 表示，如果事實如此，這就有助於解釋為什麼真核生物基因的多樣化速度如此之快。分布於不同環境中基因各異的 LECA 種群能分化出許多雜交能力強的半隔離亞種。這以情形促進了物種的多樣化，就像今日在島上定居的物種一樣。
然而，其他人卻懷疑 LECA 的泛基因組如此之大。跟原核生物相比，今天真核生物的泛基因組很小。由此，科學家們就懷疑 LECA 的泛基因組是否會比我們的還要大。Doolittle 說：「我認同物種有泛基因組，LECA 是物種，因此 LECA 也有泛基因組。但是要說 LECA 是遺傳樹上與其他生物都不同的物種，我覺得這沒啥道理。它只不過是遺傳樹上最深的那個節點。」
進化推論的基石：LECA 是一個群體
儘管 LECA 的泛基因組大小問題存在爭議，但 O'Malley 和 Leger 的許多同事都覺得把 LECA 看成一群細胞是有意義的。不過，反對的聲音也是存在的，根據 O'Malley 的說法，一些科學家堅持認為 LECA 一定是單個細胞，隨著一次又一次的分裂，最終生成了所有的其他真核細胞。O'Malley 說：「我覺得，這種深深的陷在譜系學的思想非常奇怪。」
她認為「 LECA 是一個群體」這一理念是理解其如何產生和影響現在真核生物多樣性的唯一途徑。種群是所有進化論推理的基石。依照定義，進化理論和自然選擇發生在種群層面，這不是某個細胞的事，而是關乎種群的問題。這也就是為什麼她和她的同事在「更加努力地推進這項工作」。
在重構真核生物的進化歷史時要考慮種群問題極為重要，因為這會左右你如何解釋環境，如何解釋基因。
這一點對於重建 LECA 的嘗試工作極為重要。因為，在當時最終存活下來的生物可能不是由今日我們所見到的真核生物與近親的性狀特徵構成的。「如果你只看留下來的東西，我覺得這無法理解進化論。我們必須了解種群的發展階段，才會知道在這個過程中生物丟失了什麼信息。」
問題在於，我們可能永遠無法知道 LECA 長什麼樣子。因為，並沒有化石或者 DNA 殘留來幫助我們直接解釋它的面目。即使是最好的基因組學方法也不能讓時光倒流，去讓我們觀測基因序列的改變。基本上，無法確切地知道 LECA 基因組或者說泛基因組是什麼樣子的。
但這並不意味著這個問題不值得思考。LECA 是我們所有人的根源——就像 Wickstead 所說的「真核生物的多樣性發源於此」現在，我們找不到能嚴格地論證我們的假設的方法，但不意味著我們以後也做不到。他說：「我認為，了解當時發生的事情和那以後生物如何變化是非常重要的。因為只有這樣才有機會去理解真核生物是如何從那一點發展而來的。」
在 Leger 看來，僅僅提出這樣的問題就能揭示出我們對現階段對真核生物理解上的差距，「關於真核微生物，我們還有許多東西需要了解，它們的行為，以及它們的生活方式。」