生命之树：数十亿物种，同源共祖

什么是生命之树，它教会了我们什么？

生命之树是对自38亿年前生命首次出现以来生物多样性历史的呈现。它展示了物种如何因突变、自然选择和环境变化而形成、演化或消亡。尽管理论上可能存在无数种形态，但实际多样性受到生物和生态限制的制约。生命之树区分了三大域——细菌、古菌和真核生物——它们都源自一个名为LUCA的共同祖先。因此，它提供了对生命演化的统一且动态的视角。

一个家庭，承载着难以计数的物种

当前生命的多样性

生命之树令人目眩，而38亿年的时间，正是解释一切的引擎。《公共科学图书馆·生物学》期刊上引用最多的研究估计，地球上有870万个物种，包括650万个陆生物种和220万个水生物种。

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。经过百万年，累积的突变使它们差异大到无法再共同繁殖：原本的一个物种变成了两个。这两个物种中的每一个又可能继续分裂，如此循环往复。

理论计算：一个惊人的数字

通过分析化石记录，研究人员估计，一个动物物种的平均寿命大约在100万到1000万年之间，之后便会灭绝或发生演变。对于复杂的真核生物而言，一个谱系分裂为两个不同物种的最常引用的时间是200万年。

如果一个谱系平均每200万年分裂一次，那么在38亿年的时间里，每个谱系将经历1900次连续分裂。在树状生长过程中，理论上会产生约\(10^{572}\)个分支，这是一个难以想象的数字，仍然远远超过可观测宇宙中的原子数量（估计约为\(10^{80}\)）。如果一个谱系平均每1000万年分裂一次，那么将产生约\(10^{114}\)个分支，这同样是一个真正无法想象的数字。

一个从未存在的世界！

这个难以想象的数字是一个理论极限，存在于一个没有灭绝、没有生态饱和的世界，且所有谱系每1000万到1亿年都会规律且同步地发生分支。在现实中，巨大的约束在纯倍增的理论潜力尚未展现之前，就已将其彻底压制。

从理论到现实：灭绝的过滤器

约束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约束，才能形成稳定且持久的物种，这解释了为什么实际物种数量远低于理论潜力。

古生物学家估计，自约5.4亿年前（寒武纪初期）复杂动物出现以来，可形成化石的物种总数在50亿至500亿之间。但这一数字仅涉及在岩石中留下痕迹的生物，不足实际生命的1%。若修正这一偏差，并将自微生物起源以来的所有生命形式纳入统计，地球上曾存在过的物种总数可能在\(10^{12}\)至\(10^{15}\)之间，即1万亿至1000万亿个灭绝物种。

当前生命：生命历史中的微小片段

数字不言自明：在超过38亿年的进化历程中，灭绝是常态而非例外——曾存在过的物种中，超过99.9%已经消失。在生命的历史长河中，存活才是例外。

现今所有存活的物种加起来，仅代表地球自生命起源以来所产生的全部生物多样性的十亿分之一，甚至更少。自然选择是无情的：它毫不留情地淘汰不适应的谱系，持续筛选生命的变异，只留下那些能够满足环境即时需求的物种。

生命之树的三大主要分支

得益于卡尔·乌斯（1928-2012）及其合作者在20世纪70年代末的研究，我们了解到生命被划分为三大域。这一革命性的分类基于对核糖体RNA（一种存在于所有生物体中的分子）的分析。构成生命树主要分支的三大域是：

注：古菌在遗传上更接近真核生物，而非细菌。真核生物实际上是从古菌域分化出的一个分支。人类与温泉中的嗜热古菌共享的共同祖先，比与肠道细菌的共同祖先更为晚近。

生命之树主要类群汇总表

注：所示日期为基于分子钟和化石的估算值。最早的生命迹象（原核生物）出现于约38亿年前。地球年龄估计约为45.4亿年。

LUCA之前发生了什么？

你、我、猎豹、双孢蘑菇、巨杉和细菌都有一个共同祖先：我们都源自LUCA（最后普遍共同祖先），这是一种大约35亿至40亿年前存在的单细胞生物。LUCA未必是单个个体，而更可能对应一个原始生物种群，它们可能生活在热液喷口附近，通过个体间直接大量交换基因（而非通过繁殖）进行遗传物质传递。

在科普中，LUCA常被描述为单一生物体，有点像生命的"亚当与夏娃"。这种说法便于解释，但并不准确。LUCA可能代表多个相关生物体，因为群体比单个个体拥有更丰富的遗传多样性。

但LUCA本身是漫长选择的产物。在LUCA“胜出”之前，可能曾有亿万次生命涌现的尝试：原始细胞、自我复制系统、原始代谢过程——它们出现又消失，未留下后代。这被称为达尔文化学前生物时期，大约发生在38亿至40亿年前，即晚期重轰击结束与LUCA出现之间的1亿至4亿年窗口期内。

关键要点

生命之树揭示了一个既宏大又脆弱的故事：数十亿年前出现的生命，在无穷无尽的随机事件、灾难与选择中不断被塑造。

我们的存在源于一种极其独特的偶然性，这种偶然无法被复制。它提醒我们，以我们所知的形式存在的生命，是珍贵、稀有且独一无二的。与其在星空中绝望地寻找人类的同类，不如惊叹于我们自身的存在，并确保这一例外不会因我们的过错而成为新的灭绝。

生命系统发育树将具有共同祖先的物种归为一类。
领域	血统	示例生物	预估外观	关键特征
细菌	变形菌门	大肠杆菌	大约35亿年前	非常多样化的群体，包括许多致病菌和共生菌。
细菌	蓝藻	螺旋藻	~ 24亿年前	唯一能进行产氧光合作用（产生氧气）的细菌。
古菌	广古菌门	甲烷短杆菌属	~ 38亿年前	包括产甲烷菌（产生甲烷）和极端微生物。
古菌	阿斯加德古菌门	洛基古菌	~ 20亿年前	最近发现的古菌，在遗传上与真核生物最为接近。
真核生物	动物（后生动物）	智人	大约8亿年前	多细胞异养生物（以其他生物为食）。
真核域	植物（绿色植物门）	拟南芥	~ 15亿年前	具有纤维素细胞壁的光合生物。
真核域	真菌	酿酒酵母	大约10亿年前	渗透营养生物（吸收方式），具有几丁质细胞壁，与动物亲缘关系密切。
真核生物	原生生物	变形虫	~ 18亿年前	并系群（包罗万象）包含所有非动物、非植物、非真菌的真核生物。