实验室中已经成功培育出最原始的生命,也许能解释真核生物的起源

早在2010年,当科学家对北冰洋海底沉积物核进行DNA分析时,他们发现了令人惊讶的发现。一种未知的的属于古怪微生物领域的生物称为古细菌(Archaea),似乎具有与完全不同的领域-真核生物(Eukaryota)相关的基因组特征。

他们以发现它的格陵兰附近的洛基城堡(Loki's Castle)热液喷口为名字命名了洛基古细菌(Lokiarchaeota)。但是怀疑笼罩着这一发现,样品可能被沉积物核中的其他物质污染了吗?

现在,由于日本科学家的努力,这些疑虑可以平息了。他们第一次隔离了洛基古细菌,并将其在实验室中养殖。

这意味着研究人员首次可以直接研究活的洛基古细菌并与之互动,这可以帮助我们在这个令人难以置信的蓝色星球上找到我们的始祖。他们的研究成果于去年发布,现已发表在《自然》杂志上。

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生命树的可以划分为三个领域。其中一种被细菌占据:一种没有细胞核或膜结合细胞器的单细胞微生物,并通过挥舞称为鞭毛的头发状结构而活动。另一个是真核生物,一种具有细胞核和膜的生物。该领域包括我们人类、动物、植物和藻类。

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细菌结构

然后是古细菌。这些细菌很像细菌,因为它们缺乏细胞核和膜结合细胞器,并且可以利用鞭毛四处游荡。但是有一些关键差异。他们的分裂方式不同。它们的细胞壁是由稍微不同的东西制成的。而且它们的RNA差异足以将它们在系统树上分开。

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真核生物细胞结构

但是随后出现了洛基古细菌-还有其他具有真核生物特征的古细菌标本。它们分别命名为托尔古细菌(Thorarchaeota),奥丁古细菌(Odinarchaeota)和海姆达尔古细菌(Heimdall)(北欧神话命名法则)。

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古细菌结构

它们被统称为阿斯加德古细菌(Asgard archaea),有些科学家认为它们可能是真核生物的起源-也许是在类似阿斯加德的古细菌吞噬了细菌之后。

但是,如果不对生物进行单独的研究就很难这么说。这是日本科学家要做的。2006年,他们从海平面以下2533米的南海海槽中的海床中打捞了一个沉积物核。

在这之前没有任何人知道阿斯加德古细菌。直到后来,对这些丰富的样本进行的RNA分析揭示了类似洛基古细菌的生物的存在。

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古细菌

当团队开始工作时,他们还不知道这些。他们在旨在模拟深海甲烷排放口的连续甲烷流生物反应器系统中精心培育了五年的样品。微生物繁殖非常缓慢。

下一步是将来自生物反应器的样品放入装有营养物的玻璃管中,以喂养和让它们生长。他们在那里呆了一年,终于开始发展出非常微弱的洛基古细菌种群。

然后,该团队投入了更多的时间来隔离、培养和发展这种缓慢分化的种群。常见的细菌种群通常需要大约半小时才能翻倍。洛基古细菌花了20天。

研究人员在论文中写道:“重复的亚种群...逐渐丰富了古细菌,其生长速度极慢且细胞产量极低。”

“培养物始终具有30-60天的迟滞期,需要3个月才能达到完全生长。培养温度的变化,以及底物组合和浓度不能显着改善迟滞期、生长速率或细胞产量。”

总共,实验耗时12年。研究人员将其栽培的微生物命名为普罗米修斯古细菌(Prometheoarchaeum syntrophicum)-以普罗米修斯(Prometheus)命名,普罗米修斯是古希腊神话中的泰坦,他被认为是用粘土创造人类的。

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普罗米修斯古细菌(Prometheoarchaeum syntrophicum)

他们得到了几个奇怪的发现。首先是普罗米修斯古细菌只会在一种或两种其他微生物,即古生甲烷菌(archaeon Methanogenium)和光环脱硫弧菌(Halo desulfovibrio)存在下的情况生长。当普罗米修斯古细菌将氨基酸分解成食物时,它会产生氢,其他微生物会吃掉氢。

如果氢被允许累积,这可能会进一步阻碍普罗米修斯古细菌的已经缓慢的生长,说明古细菌与其他微生物共生关系,在这种情况下互养-这意味着一方或双方的增长取决于对方吃什么。

然后,当在电子显微镜下检查该生物时,它发现了古细菌的一种不寻常形状-长触角从其体内萌芽,其共生微生物栖息在其中。研究人员推测,当地球上的氧气开始增加时,这种生物体可能已经与使用氧气的细菌发生了联系,从而增加了其生存机会,并踏上了通往真核生物生命的道路。

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真核生物假想模型

a,有营养/发酵宿主古细菌将氨基酸降解为短链脂肪酸和氢。b,宿主可能已经与可以消除有毒氧气(未来的线粒体;红色)的需氧有机营养伙伴发生了进一步的相互作用。C,宿主的外部结构可能已经与好氧伙伴相互作用,以增强物理相互作用,并进一步吞噬伴侣,从而同时发展内共生和原始的类核苷酸结合膜。d,被吞噬后,宿主和共生体可能会继续按照b所示作为内共生的原始类型进行相互作用。e,由内共生体形成ADP/ATP载体(AAC)。F,宿主通过分解代谢和ATP生成委托给内共生体并建立共生体到宿主ATP通道。

确实,DNA测序揭示了其他阿斯加德古细菌中发现的真核生物特征。

显然,还需要做更多的工作。普罗米修斯古细菌可能与数十亿年前的古细菌完全不同。真核生物是从古细菌进化而来的,远非权威的证据。

到目前为止,这项研究是在同行评审之前进行的,因此及时了解科学界对此做出的贡献将很有趣。但是,无论现在发生什么,我们都将从这项工作中学到很多东西。

“这是一个里程碑式的文章,反映了庞大数量的工作和毅力。”荷兰瓦赫宁根大学的微生物进化学家蒂斯·埃特玛(Thijs Ettema)说。“这是理解这一重要谱系的重要一步。”

该研究已发表在《自然》杂志上。

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