Only Perception: 大滅絕、古代病毒也許握有生命起源線索

2009-04-13

大滅絕、古代病毒也許握有生命起源線索

Mass Extinctions, Ancient Viruses May Hold Clues to Life's Origins
http://www.physorg.com/news157973463.html

By Lisa Zyga, April 3rd, 2009

(PhysOrg.com) -- 在整個地球歷史中，大滅絕反覆發生，儘管不規律，而且有時候，這些滅絕對我們行星上的生物而言極具毀滅性 -- 或著真的是這樣嗎？滅絕事件有時會藉由消滅舊時主宰物種來加速地球上生命的演化，並讓出空間給新物種。一項新研究使這種構想更進一步，證明若沒有一再發生的滅絕事件，生命也許永遠無法實現先進多細胞生物體發展所需的複雜度。

在他們的研究中，芬蘭 Jyvaskyla 大學的 Matti Jalasvuori 與 Jaana K.H. Bamford，開發出一種模型幫忙解釋生命如何從它的起源演化成我們今日所看見的複雜細胞系統。他們的模型是基於某種在古菌（archaeal）界當中的病毒，稱之為 Crenarchaeota（嗜泉古菌）。與那些在海洋底部所發現的一樣，它們能夠在極為熱、酸的環境中興旺，而這些病毒所滲透的宿主則稱為 acidophilic hyperthermophiles（嗜酸超嗜熱菌）。因為 crenarchaeal 病毒與其他病毒或生物體幾乎沒有相似之處，它們很可能源自地球非常早期的歷史中。

"就個人而言，我發現「地球上非常早期的生命也許已擁有各種獨特的病毒」這種想法令人振奮，" Jalasvuori 表示。"我們會問，它們的存在是否為某些過程的自然結果，那導致第一個細胞出現。"

除了與其他生物體大不相同外，crenarchaeal 病毒間也出乎意料之外地相異。它們多樣化的形態包括球形、燈泡形、瓶子形、鬱金香形，有尾巴的多面體等等。在解釋這些差異起源的一次嘗試中，Jalasvuori 與 Bamford 提出，由流星與火山所引起的大滅絕也許將許多細胞生物體消滅，不過海洋底部的超嗜熱菌與它們的寄生病毒一同存活下來。

如同科學家的解釋，流星衝擊與火山爆發均能使地球變暖。流星使海洋沸騰並使大氣變熱，而岩石中的碸（sulfoxides，RSOR'，發音為風）在衝擊之後蒸發，導致有毒的酸雨。同樣地，以玄武岩洪形式出現的火山作用增加了二氧化碳濃度，引起大氣暖化以及酸雨。雖然流星與火山被認為是滅絕的二大起因，不過「snowball Earth（雪球地球）」情節，在其中地球被冰蓋住，也許是另一種滅絕機制。

雖然這些事件或許導致大多數生活在涼爽與中性 pH 值環境當中的細菌與古菌滅絕，不過對於 crenarchaeal 病毒及其宿主的天然酸性及地熱所加熱的環境也許不會有太大影響。超嗜熱細菌已習慣熱酸性狀態，而地熱也能保護它們免受雪球地球的環境傷害。這些科學家提議，當時 crenarchaeal 病毒只是維持它們原本多樣化的形態，而宿主為非超嗜熱菌的病毒（也包括其他 crenarchaeal 病毒）則否。在這種觀點裡，地熱加熱區域中的 crenarchaeal 病毒很可能因而形成原始的基因庫（gene pool）。

如先前研究所示，病毒以及它們試著要感染之細胞間的戰役已被視為驅動演化的一大力量。在來自於病毒的壓力下，細胞持續形成突變以避免感染，不過這些突變在其他方面沒有多大用處（除了巧合之外）。

然而，如同這個新模型所示，當大滅絕事件發生時，滅絕了某一環境中許多細胞，病毒數量也因缺乏宿主而減少。病毒的主要武器是擁有宿主識別蛋白（host recognition proteins，HRPs）的某個變種，那知道要攻擊哪個細胞。但較少的病毒意味著較少的 HRPs，故那些存活下來的、對於殘存較少病毒免疫的細胞，現在有機會在一個不受病毒干擾的環境中演化。在無病毒的狀態下，細胞能夠繼承就長期而言可能更加有用的突變，而非簡單的防禦策略。在這種情況下，滅絕事件加速了新生物功能的發展，這如果透過其他方式不太可能浮現。沒有滅絕事件，病毒也許會控制整個地球的演化。

"我發現「病毒與它們的宿主一同面臨滅絕」這種點子很重要，" Jalasvuori 說。"大家廣泛地認為，病毒，就某種意義而言，控制了其宿主的演化，並殺死演化贏家。因此，在滅絕等級的事件（例如大規模的流星衝擊）之後，只有少數病毒能將贏家的成功故事攜往終點。某些今日所觀察到的新奇演化革新，也許率先從這些贏家的基因組中浮現。"

無論如何，古代物種在裡面生活的熱、酸環境對演化而言不一定是種障礙，而且事實上很可能對於生命的起源不可或缺。沒有了這種區位，新興生命也許無法逃過流星轟炸與火山爆發，那一再將物種「澈底」消滅。然而，如同 Jalasvuori 與 Bamford 所言，他們的提議僅是一種模型，而且需要更多研究看看這個模型與資料以及實驗室研究有多麼相符。總之，這項研究證明，crenarchaeal 病毒在地熱加熱區域的多樣性需要更進一步注意，因為細節能幫助科學家更了解生命的起源。

"我們已在實驗室小宇宙中進行了數項實驗，在其中我們試圖測定病毒對於其宿主不同演化面向的影響，" Jalasvuori 說。"這些宇宙賦予我們掌控可能影響宿主演化的因子，我們因而能夠更精確地看待由病毒或著不是由病毒所引起的適應特徵。"

※ 相關報導；

＊ Did the Ancient Crenarchaeal Viruses from the Dawn of Life Survive Exceptionally Well the Eons of Meteorite Bombardment?
http://www.liebertonline.com/doi/abs/10.1089/ast.2007.0189