生命之树: 数十亿灭绝物种与一个共同祖先群落

一个家庭对应难以想象的物种数量

当前生命的多样性

生命之树令人眩晕，时间: 38亿年是解释一切的动力。 PLoS Biology上发表的最常被引用的研究提出了地球上存在870万种物种的数字，其中650万种陆生，220万种水生。

物种形成的机制

想象一个种群分裂成两个地理上隔离的群体。 一百万年后，积累的突变使它们变得足够不同，以至于无法再一起繁殖: 原本只有一个物种的地方诞生了两个物种。 这两个物种中的每一个又可以再次分裂，以此类推。

令人眩晕的理论计算

通过分析化石记录，研究人员估计动物物种的平均寿命在灭绝或转变之前大约为100万到1000万年。 对于复杂的真核生物，最常引用的数字是一个谱系分裂成两个不同物种需要200万年。

如果一个谱系平均每200万年分裂一次，那么在38亿年中，每个谱系代表1,900次连续分裂。 在树状生长中，理论上这大约给出\(10^{572}\)，一个难以想象的数字，仍然无限大于可观测宇宙中的原子数（估计约为\(10^{80}\)）。 如果一个谱系平均每1000万年分裂一次，这大约给出\(10^{114}\)，一个仍然真正难以想象的数字。

一个从未存在过的世界 ！

这个难以想象的数字是在一个没有灭绝、没有生态饱和、所有谱系每100万到1000万年定期并同时分支的世界中的理论界限。 在现实中，大规模的限制在纯粹加倍的这个理论潜力甚至能够表达之前就将其粉碎。

• 灭绝: 仅五次大灭绝每次就消灭了75 %到96 %的物种，将树残酷地减少到几个幸存的枝条。
• 生态饱和: 每个生态系统只有有限数量的生态位，即物种可以生存和繁殖的条件组合。 只要这些生态位全部被占据，一个孤立的种群就找不到足够长时间分化以成为完全物种所需的资源或空间。
• 地理隔离不足: 物种形成要求两个种群保持分离足够长的时间以积累不可逆的差异。 然而，山脉、海洋或沙漠等地理屏障是罕见的、不稳定的和暂时的。 没有这种持久的隔离，种群会再次混合，分化在成功之前就被取消了。
• 遗传限制: 绝大多数突变是中性的或致死的。 允许真正适应性分化的有利突变极为罕见，遗传漂变可以纯粹偶然地消除一个本来有利的突变，在它在种群中传播之前。
• 种间竞争: 一个新生物种必须面对已经建立且更适应的物种，占据相似的生态位。 这些新谱系的失败率在它们甚至达到足以长期生存的种群规模之前就相当大。

从理论到现实: 灭绝过滤器

限制实际上形成了一个级联过滤器: 一个谱系必须同时克服所有这些限制才能产生一个稳定和持久的物种，这解释了为什么实际物种的数量远远低于理论潜力。

古生物学家估计，自复杂动物出现以来，约5.4亿年前（寒武纪开始），存在的可化石化的物种总数在50亿到500亿之间。 但这个数字只涉及在岩石中留下痕迹的生物，即不到实际生命的1 %。 通过纠正这种偏差，并包括从微生物起源以来的所有生命，地球上曾经存在过的物种总数可能在\(10^{12}\)到\(10^{15}\)之间，即一千亿到一百万亿灭绝物种之间。

当前生命: 生命历史的十亿分之一

数字是明确的，在38亿年的进化中，灭绝是规则，而不是例外: 所有曾经存在过的物种中超过99.9 %已经消失了。 在生命的历史中，生存是例外。

今天所有的活物种加起来只代表了地球自生命起源以来所产生的总生物多样性的十亿分之一，也许更少。 自然选择是无情的: 它无情地消除不适应的谱系，不懈地过滤生命的变异，只让那些符合其环境即时要求的物种生存。

生命之树的三个主要分支

感谢Carl Woese（1928-2012）及其合作者在1970年代末的工作，我们知道生命分为三大域。 这种革命性的分类基于对核糖体RNA (原核生物中的16S核糖体RNA分子和真核生物中的18S，用作分子钟)的分析，这是一种存在于所有生物中的分子。
形成树的主要分支的三个域:

• 细菌（Bacteria）: 原核生物（无细胞核），具有非凡的代谢多样性。 它们定殖于所有环境，从温泉到人类肠道。
• 古菌（Archaea）: 长期与细菌混淆，它们具有独特的遗传和生化特征。 许多是极端微生物，生活在极端环境（高温、酸性、高盐度）中。
• 真核生物（Eukarya）: 具有复杂细胞和细胞核的生物。 这个域包括动物、植物、真菌和原生生物。 这是我们所属的分支，是生命多样性的极小部分。

N.B.:
古菌在遗传上比细菌更接近真核生物。 真核生物实际上是古菌域的一个分支。人类与温泉中的嗜热古菌比与肠道细菌共享更近的共同祖先。

生命之树主要组别汇总表

N.B.:
所示的日期是基于分子钟和化石的估计。 生命的第一个迹象（原核生物）出现在大约38亿年前。 地球的年龄估计约为45.4亿年。

LUCA之前发生了什么 ？

LUCA不是一个单独的个体

你、我、猎豹、巴黎蘑菇、巨杉和细菌共享一个共同祖先: 我们都来自LUCA（最后共同祖先），一个大约35到40亿年前生活的单细胞生物。 LUCA不一定是一个单独的个体。 LUCA更对应于一个原始生物种群，可能生活在热液喷口周围，并直接在个体之间大量交换基因，而不通过繁殖。

科普与科学现实

在科普中，LUCA通常被呈现为一个单一的生物，有点像生命的"亚当和夏娃"。 这便于解释，但不准确。 LUCA可能代表几个相关的生物，因为一个种群比单个个体允许更多的遗传多样性。

达尔文前生物化学时期

但是LUCA本身是非常长期选择的产物。 在LUCA"获胜"之前，很可能有数十亿次生命出现的尝试，原细胞、自我复制系统、原始代谢出现并消失而没有留下后代。 这被称为达尔文前生物化学时期，估计发生在晚期重轰炸结束和LUCA出现之间的约1亿到4亿年的窗口期。

要记住的要点

生命之树向我们揭示了一个既宏伟又脆弱的历史: 那是数十亿年前出现的生命，由无限的一系列随机事件、灾难和选择塑造而成。

我们的存在是如此独特的偶然性的产物，以至于它无法复制。 它提醒我们，我们所知道的生命是宝贵的、稀有的和独特的。 与其绝望地在星星中寻找人类的孪生兄弟，我们应该惊叹于我们自己的存在，并确保这个例外不会因为我们的过错而变成新的灭绝。