阿斯加德古菌现世,让整个生命科学大厦开始动摇

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阿斯加德古菌现世,让整个生命科学大厦开始动摇

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其中一项是关于一类新发现的古菌——阿斯加德古菌,这类古菌的发现,动摇了目前主流的”三域系统“,动摇了生命起源的根基。

摘要:Thijs Ettema 等人先后发现了4种新的古菌,分别命名为洛基、索尔、奥丁、海姆达尔,并将它们统称为阿斯加德古菌,进一步测序分析表明,包括人类在内的所有真核生物,都起源于阿斯加德古菌。这一发现也动摇了目前主流的”三域系统“,动摇了生命起源的根基。

每一个神话体系中都需要一个大骗子,论骗术,可能没有比北欧神话中的洛基(Loki)更好的了。作为北欧神话中的恶作剧和谎言之神,洛基个性狡猾,为人诡谲,总是惹麻烦而又难以捉摸。

一种跟洛基同名的洛基古菌(Lokiarchaeota),跟洛基一样麻烦不断,它的出现开始动摇生命起源的根基。

洛基古菌是于2010年在格陵兰岛附近的海底沉积物中被发现,2015年完成DNA测序分析,洛基古菌的发现,让生物学家们开始重新考虑地球生命史中最伟大的事件之一:真核生物的出现。

阿斯加德古菌现世,让整个生命科学大厦开始动摇

漫威电影中洛基的形象,来自《雷神》海报

二分法

在列文虎克发明显微镜之前,人们一度认为生物只有两类:植物和动物。随着列文虎克用显微镜观察到了微生物,一个新世界的大门被打开了,原来我们生活的环境中充满着无数肉眼不可见的微生物。

随着显微技术的进步,人们观察到了越来越多的细菌,此时,生物学家把细胞生命分成了两大类:真核生物(拥有膜结构的细胞核和细胞器)和原核生物(没有细胞核和膜结构细胞器)。此时细菌是人们知道的唯一的原核生物。

三域系统

20世纪70年代,科学家发现了一类全新的生命形式——古菌。古菌是单细胞微生物,它们没有细胞核及与任何其他膜结合细胞器,虽然形态上与细菌很像,但基于分子生物学的研究表明,古菌在进化上更接近真核生物,古菌应属于一种全新的生命形式。

基于这些发现,卡尔·乌斯(Carl Woese)在1977年提出,并于1990年修正了新的细胞生命形式分类——三域系统。该系统将细胞生命分为三大类:细菌域(Bacteria)、古菌域(Archaea)和真核域(Eukarya)。

该系统认为,生命之树很久以前就分化成三个主要的树干(域)。一根树代表了现代细菌;另一根代表了古菌,第三根代表了真核生物。

阿斯加德古菌现世,让整个生命科学大厦开始动摇

目前占据主流的三域系统

但“三域系统”一直存在争议,20世纪80年代,洛杉矶加利福尼亚大学的进化生物学家詹姆斯·莱克(James Lake)提出,真核生物是古细菌的姐妹,这个想法演变成了”双域模型“。

双域系统认为,真核生物是从古菌的分支演化而来

如今,科学界公认真核生物起源于”内共生“,内共生学说认为,一个简单的宿主细胞吞噬了一个细菌,二者建立了互利关系,最终被吞噬的细菌进化成了产生能量的线粒体,形成了现在所知的真核生物。

但是,三域系统的支持者和双域系统的支持者在吞噬细胞的性质上产生了严重的分歧。三域系统的支持者认为吞噬细胞是一种原始真核生物,既不是现代古菌也不是现代真核生物。双域系统的支持者认为吞噬细胞就是一个古菌,因此真核生物都是这个古菌的分支。

虽然存在着争议,但三域系统占据了主流。

近年来,基因测序和分析技术的进步,推动了这些争论,2002年科学家们只知道古菌的两个类别,而如今,基于宏基因组学,古菌分类数量激增。

进化生物学家利用最新的强大建模技术,创造了一个进化树森林,详细描述了古菌家族之间的关系。在许多情况下,分析结果都将真核生物置于古菌域中。但许多科学家认为,这些结论还是缺乏足够的数据支持。

洛基古菌的发现

2015年,瑞典乌普萨拉大学的进化微生物学家Thijs Ettema领导团队在 Nature 杂志发表论文,他们发现并解析了一种全新的古菌——洛基古菌(Lokiarchaeota)的DNA序列。

此后两年内,该团队和其他研究人员又发现了与洛基古菌有关的三个新的古菌,分别命名为索尔古菌(Thorarchaeota)、奥丁古菌(Odinarchaeota)和海姆达尔古菌(Heimdallarchaeota)。他们将整个新古菌门以北欧神话中的神域阿斯加德(Asgard)命名。

阿斯加德古菌的尺寸很小,但事实证明它们很强大,他们的出现,重新激起了细胞生命域真实数量的争论。

阿斯加德古菌中包含与真核生物类似的基因,例如洛基古菌,被发现具有真核生物的标志性基因肌动蛋白基因,通过对它们DNA的深入分析,表明所有的现代真核生物来自同一个古菌群。如果真是这样的话,基本上所有复杂的生命,从绿藻到巨大的蓝鲸,它们最初都来自古菌。

但是很多科学家不相信这一结果,构建进化树是一个复杂而又充满争议的工作,而且到目前为止,洛基古菌还不能在实验室条件下培养,因此也难以研究。

比如”三域系统“的支持者Patrick Forterre教授认为,洛基古菌中发现的真核生物类似基因,有可能是样本被污染了。对于三域还是双域问题,Thijs Ettema和Patrick Forterre产生了激烈的争论。

BioWorld注:样本被污染的可能性是存在的,例如,1995年,我国科学家曾宣布从恐龙蛋化石中提取了恐龙基因组,此消息轰动世界,后被证实样本被污染,提取的其实是人和细菌的DNA。

三域?还是双域

在北欧神话中,洛基经常制造混乱,然后再把一切都搞定。当洛基古菌和它的亲戚们被发现时,三域系统和双域系统的支持者都希望它们能够终结复杂生命体起源的长期争论。

洛基古菌的发现者们曾认为,这些发现会让所有人信服,真核生物就是起源于古菌。然而事实并非如此,情况依然不明朗。

注:本文所讨论的均为细胞生命的分类,病毒没有细胞结构,因此不在讨论范围内。

参考内容:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01496-w#ref-CR5

https://www.nature.com/articles/nature21031

https://www.nature.com/articles/s41564-019-0406-9

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