關於遠古共祖（LUCA）的大哉問

地球上的生物怎麼來的？目前廣為大家接受的起源說，簡單來說就是我們都從同一鍋湯（primodial soup）開始的。套用舊小說的說法，經過「天真地秀日精月華」，「感之既久」，最後我們的遠古共祖就產生了。

當然，這個「天真地秀日精月華」其實是當時的大環境：高溫、無氧、空氣中充滿了甲烷、硫化氫等有毒氣體，火山時常爆發、地面上流動的水都是在高溫之下等等...這樣的環境在現代人看來，絕對不適合生物生存，但是我們的遠古共祖，卻在那樣的狀況下產生了。

接著，我們的遠古共祖產生了細菌（bacteria）跟古細菌（archea）兩大分支，然後這兩大分支再繼續演化....最後就成了我們多采多姿的地球。

但是，光是細菌跟古細菌之間，在細胞膜的構造上就有極大的分別。

細胞膜脂質構造：古細菌（上）、細菌與真核生物（中）
細胞膜構造：古細菌（下右，10）、細菌與真核生物（下左，9）
圖片來源：維基百科

首先，雖然大家的細胞膜脂質都是由甘油（glycerol）連接脂肪，但是古細菌的甘油與脂肪間的連結是甘油醚鍵（glycerol-ether），而細菌與真核生物的是甘油酯鍵（glycerol-ester）。由於醚鍵比酯鍵穩定，一般認為這是為什麼古細菌可以生活在很熱、鹽分濃度很高的地方的原因。

接著，與脂質連接的甘油是相反的；然後，古細菌使用的脂質跟細菌與真核生物完全不同。古細菌的脂質是由異戊二烯（isoprenoid）連成的聚合物構成的；而真核生物與細菌則是由脂肪酸構成的。

最後，有些（但不是全部）的古細菌並沒有脂質雙層，而是單層。目前認為這些不同都增加了古細菌在高溫、高鹽環境下的生存能力，但同時也告訴我們，古細菌跟細菌，在演化上很早就分開了。

不過雖然細菌與古細菌在細胞膜上有這麼大的差別，但是他們的共同點（也是所有地球上生物的共同點）就是大家獲取能量的機制都依賴氫離子運輸之後產生的電位差來合成ATP。

但是，我們誰都無法回到數十億年前去看我們的遠古共祖。因此，在倫敦的University College London（UCL）的一群科學家們，試圖用數學模擬來了解，究竟我們的遠古共祖（UCL研究團隊稱之為LUCA， Last Universal Common Ancestor）可能的樣子，以及它如何演化出這麼特別的能量獲取機制呢？

經過數學模擬，研究團隊們認為，我們的遠古共祖的細胞膜應該是「漏」（leaky）的。

漏？漏什麼呢？當然不是漏佛法....（冷笑話，請自動忽略），是漏氫離子，也就是質子（proton）。

模擬的結果顯示，我們的遠古共祖應該是住在海床上，附近有出水口。海床附近有含有豐富質子的海水，而出水口時不時地會噴出僅含少量質子的鹼性液體。當這兩種水流交會時，便使得遠古共祖周圍的質子濃度會產生變化；而由於遠古共祖的細胞膜是「漏」的，當周圍環境的質子濃度改變時，質子也會跟著流出流入我們的遠古共祖，於是我們的老祖宗就發展出運用質子濃度變化來合成ATP的機制了！

隨後，當某些遠古共祖細胞自行發展出可以操縱質子流動的蛋白質複合體（protein complex），這些細胞便可以脫離位於海床上出水口周圍的環境，開始發展出更多的機制；當然，細胞膜也不能再漏了。由於當初大家是各自在海床上演化，因此就產生了古細菌這一大分支以及細菌與真核生物這另一大分支；而地球的環境在「大氧化事件」（GOE，great oxygenation event）之後環境丕變，開始有利於好氧菌以及後續的真核生物...

有趣嗎？筆者對於數學模擬/電腦模擬總覺得有些疑問，不過看起來是挺有意思的！

參考文獻：

2014/8/12. Our ancestor's 'leaky' membrane answers big questions in biology. Science Daily.