神秘古菌,揭示生物起源

本周,最新一期的《自然》杂志,发表了一篇日本科研团队的论文,日本横须贺海洋研究开发机构(JAMSTEC)的井町宽之和日本筑波产业技术综合研究所(AIST)的延优等研究人员,利用深海沉积物培养了一种阿斯加德(Asgard)古菌,对其进行了表征,试图揭示真核生物的起源。

神秘古菌,揭示生物起源

这项研究工作被描述为“里程碑”“重大的”进步,有同领域学者表示这标志着“微生物学的巨大突破”。

神仙古菌家族

这是一个重大的突破,科研人员试图描述的是大约二十亿年前地球上生命起源的一个重要阶段——生命如何从原核生物进化成真核生物?

这个阶段有多么重要呢?

动物、植物、真菌……包括我们人类,都是由真核细胞组成的真核生物。

但在真核细胞出现以前,地球上只存在简单的微生物——古菌和细菌,它们都是原核生物。

原核细胞即广义的细菌,它构造简单,细胞核无核膜包裹,没有复杂的细胞器。

真核细胞则包含典型膜型细胞器,如细胞核和线粒体等。

简单的原核细胞如何进化成复杂的真核细胞?

科学家们发现,古菌具有许多真核生物的特征,明显区别于细菌。这意味着,人类在细胞层面的老祖宗,可能是古菌。

2015年,瑞典团队曾在《自然》发表论文,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,又有三个与洛基古菌有关的新的古菌被发现,分别命名为索尔古菌(Thorarchaeota)、奥丁古菌(Odinarchaeota)和海姆达尔古菌(Heimdallarchaeota)。由于这几种古菌都以北欧神话中的神仙命名,如邪神洛基、雷神索尔、主神奥丁、守护神海姆达尔,包括上述几种古菌在内的整个新的古菌类群,自然就以北欧神话中的神域阿斯加德(Asgard,又译“仙宫”)命名了,它们被统称为阿斯加德古菌。

对阿斯加德古菌的DNA分析研究显示,它们存在真核细胞样基因,和真核细胞亲缘关系非常接近。人们据此推测,阿斯加德古菌就是包括人类在内的地球复杂生命的老祖宗。

但是,这只是通过DNA序列进行的推测,并没有其他更直接的生化代谢实验证据,主要是没有在实验室内成功培养出这些细菌,无法重复和确定这个进化过程,因此只属于没有被证实的假说。

十年实验培养

这次日本研究团队做出来的,正是这个实验室培养工作。井町宽之和延优等人经过十年的努力,分离并培养了一种阿斯加德古菌。(捋一下这个时间线,很显然,日本团队刚开始研究神秘古菌时,还没有阿斯加德古菌这个概念。)

神秘古菌,揭示生物起源

用于收集淤泥样本的日本“深海6500”号载人潜水器。(JAMSTEC供图)

研究小组从日本海岸的大峰脊深处收集了淤泥,之后将样本放入充满甲烷的特制生物反应器里培养。2000天后,他们分离出了包含多种微生物的混合物,再经过多年的进一步富集,得到了某种阿斯加德古菌的活体培养物。

他们将这种微生物命名为Prometheoarchaeum syntrophicum,源自希腊神话中的普罗米修斯,他用粘土造出了人类。(果然是仙宫古菌家族,科学家们都给它们取神仙名字。)

Prometheoarchaeum syntrophicum这个名字太长了,我们就简单点,叫它“普罗米修斯君”吧!

“普罗米修斯君”生长速度极慢,每14-25天数量翻一番。它的基因组也包含高比例的真核细胞样基因,证实了之前的DNA分析。

神秘古菌,揭示生物起源

研究人员通过实验室观察发现,“普罗米修斯君”必须与一种或两种伴生细菌一起生长。当“普罗米修斯君”将氨基酸分解成食物时,会产生氢气,而伴生菌则以氢为食。如果这种古菌周围存在氢气,能显著阻碍其生长速度,共生菌则能帮助古菌消除氢气的不利影响。

通过电子显微镜观察,研究人员还发现,“普罗米修斯君”缺少复杂真核生物所拥有的胞内细胞器样结构,但是其外部表面拥有长长的通常会分支的突起,有点类似神经细胞的突触。它的共生菌伙伴们就依附在这些长长触角周围。

神秘古菌,揭示生物起源

老祖进化之路

在实验的基础上,日本团队这样推测老祖宗古菌的进化之路:

古菌老祖宗生活在地球大气含有氧气之前。大约27亿年前,氧气开始在地球上集聚,但氧气对老祖宗来说是有毒的。

为了避免被氧气毒死,厌恶氧气的老祖宗古菌通过与耐氧和除氧的细菌形成共生关系来适应新的环境。在这种共生关系中,一种共生菌可以消耗掉多余的氢,另一种共生菌可以消耗掉有毒的氧。

神秘古菌,揭示生物起源

随着地球上氧气水平的上升,生存所迫,古菌利用触手状的结构来“缠绕”捕获经过的除氧细菌,以达到更亲密的共生关系。触手们融合成囊泡,将古菌和细菌包裹在一起。宿主古菌与内部细菌共享氨基酸这样的食物,作为回报,细菌消耗氧气并提供营养。宿主将代谢委托给细菌,细菌则为宿主提供能量。

细菌在此过程中被吞噬,并最终演变成细胞器内部结构的线粒体,是细胞的动力源,对呼吸和能量产生至关重要。

通过基因转移和共生关系的成熟,我们得到了最初的真核细胞,这是一种可以呼吸氧气的古菌与细菌的杂交体,含有可以提供能量的“线粒体”。

这就是一个原始的真核生物的诞生。

神秘古菌,揭示生物起源

所以,这就是一个在反派氧气导致的生存压力下,土著古菌与过客细菌被迫组CP,然后开拓出真核生物这一波澜壮阔进化道路的故事啊!

END

经济日报经点科学工作室

记者:佘惠敏

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