北京時間 5 月 24 日消息，據(jù)國外媒體報道，隨著科學家對神秘古生菌了解的越來越多，他們正在尋找有關構成人類、植物等復雜生命細胞的進化線索。
▲科學家花費 12 年時間培育出一種生長緩慢、長有觸須的古生菌，它被認為與復雜細胞的祖先存在相似之處
2019 年 8 月，美國威斯康辛大學進化生物學家大衛(wèi)?鮑姆曾翻閱了一本預印本，能夠與人類的遠親“面對面接觸”，或者確切地說是“面對細胞”，這個遠親是古生菌，它是一種生活在極端環(huán)境的超微生物，通常生活在深海噴口和酸性湖泊，古生菌外形類似于細菌，在 bioRxiv 發(fā)布的一份預印本描述了古生菌長著像觸須狀的突起，從而使古生菌看上去像附了幾縷意大利面的肉丸。
鮑姆曾花很多時間想象人類的遠古祖先會是什么樣，事實上古生菌就是人類完美的“分身”，盡管兩者的外形相差懸殊。
▲在美國懷俄明州黃石國家公園大棱鏡溫泉中，一些古生菌能在滾燙的溫泉水中成長
古生菌不僅是在極端環(huán)境中茁壯成長的怪異生命形式，事實證明，它們分布非常廣泛，此外，更重要的是，它們可能是理解地球上復雜生命如何進化形成的關鍵環(huán)節(jié)。許多科學家猜測，古生菌可能導致真核生物種群的崛起，變形蟲、菌菇、植物和人類就是由真核生物演變而來的，同時，部分科學家認為，真核生物和古生菌也有可能是由一些更遙遠的共同祖先物種進化產(chǎn)生。
真核細胞是具有復雜內(nèi)部特征的宮殿結構，其內(nèi)部包括容納遺傳物質(zhì)的細胞核，以及產(chǎn)生能量和構建蛋白質(zhì)的獨立隔膜，一種關于它們進化演變的主流理論認為，它們起源于古生菌，在進化歷程中可能與另一種微生物結合。
但是研究人員在探索該觀點時遇到了困難，部分原因是古生菌很難在實驗室中生長和研究，古生菌受到的關注如此之少，以至于它們的基本生活方式，例如：它們是如何生長和分裂的，在很大程度上仍是一個未解謎團。
古生菌研究僅是被賦予生命的“寵物理論”？
目前，研究人員可能比以往任何時候更接近一個貌似有理的進化答案，由于人們對這些經(jīng)常被忽視的微生物的興趣不斷增大，以及在實驗室不斷發(fā)明處理古生菌的方法，細胞生物學家正在比以前更詳細地觀察它們。澳大利亞悉尼科技大學分子微生物學家伊恩?達金說：“在過去十年里，關于這種神秘微生物種群的發(fā)布的研究報告幾乎增長一倍，而且對古生菌的生物學初步研究成果是非常令人興奮的。”
目前，鮑姆發(fā)布在《自然》雜志的圖像提出了一個新觀點，即鮑姆辛苦培育 12 年的古生菌，可能與真核生物的出現(xiàn)密切相關。來自世界各地的微生物學家都為這些圖像感到興奮，但對鮑姆而言，這僅是一個被賦予生命的“寵物理論”。
5 年前，鮑姆和他的堂弟、英國劍橋醫(yī)學研究委員會分子生物學實驗室細胞生物學家巴斯?鮑姆發(fā)表了一項關于真核生物起源的假說理論，他們預測稱，真核生物的祖先可能長有突起物，這很像古生菌的外形。他們推斷這些突起物環(huán)繞在附近的細菌周圍，之后它們轉變成為真核細胞的一個顯著特征：菱形的能量制造器，即線粒體。
當大衛(wèi)?鮑姆盯著這些像意大利面條一樣古生菌時，回想 5 年前與堂弟提出的真核生物起源假說理論，突然恍然大悟，認為之前的假說理論似乎是有道理的。
基本的奧秘
如果真核生物真的是一種增強版的古生菌，那么科學家必須了解古生菌，才能弄清楚更復雜的細胞是如何形成的。雖然研究真核生物和古生菌的科學家已花費幾十年時間深入觀察研究細胞分裂和生長等過程，但古生菌的內(nèi)部工作原理在很大程度上仍是個未解謎團。德國弗萊堡大學分子微生物學家索尼婭?阿爾伯斯說：“古生菌的每次活動方式都不一樣，例如：相關的蛋白質(zhì)可能在不同的生物體中起到不同的作用，這使得古生菌變得很有意思?！?/p>
從土壤到海洋，所有存活的生物細胞都有一個共同點，那就是它們通過分裂來制造更多的自身，該現(xiàn)象發(fā)生在地球上所有以細胞為基礎的生命共同祖先上，但隨著生物適應了它們的生態(tài)龕位，這個過程開始變得有所不同。
研究人員可以通過觀察這種差異來探索生物進化過程，所有細胞生命形式所共有的任何機制都指向最早期細胞的生物遺傳性，相比之下，只有古生菌和真核生物，或者只有細菌和真核生物共有的系統(tǒng)，暗示著真核生物各種成分是由哪個母體提供的。例如：將真核細胞從外界環(huán)境中分離出來的柔性膜就非常類似細菌結構。
達金研究的是一種叫做富鹽菌（Haloferax volcanii）的細胞分裂過程，該細菌喜歡咸水環(huán)境，例如：死海，而不是火山。事實上，富鹽菌的命名是以微生物學家本杰明?埃拉扎里?波爾卡尼（Benjamin Elazari Volcani）的名字命名的。作為一種嗜極生物，富鹽菌在咸水環(huán)境中很容易生長，在顯微鏡下很容易看到處于分裂狀態(tài)的扁平細胞組織。
盡管體形較大的富鹽菌與細菌、真核生物和古生菌存在著巨大差異，但它們確實有一些相同的細胞分裂系統(tǒng)，在細菌體中，有一種名為 FtsZ 的蛋白質(zhì)，在未來細胞分裂部位形成一個環(huán)狀結構。同樣，達金和同事在富鹽菌中也觀察到同樣的情況，因此，他們認為 FtsZ 蛋白質(zhì)似乎處于細胞進化樹底部。
目前，科學家通過研究古生菌，也揭示了其他古老蛋白質(zhì)的神秘面紗，其中包括一種叫做 SepF 的蛋白質(zhì)，德國弗萊堡大學分子微生物學家索尼婭的研究小組發(fā)現(xiàn)，SepF 是富鹽菌分裂所必需的蛋白質(zhì)，巴黎巴斯德研究所的進化生物學家尼卡?彭德稱，SepF 和 FtsZ 蛋白質(zhì)，可能都是細胞分裂的原始“最小系統(tǒng)”一部分，通過分析這兩種蛋白質(zhì)編碼基因在多種微生物中的分布情況，可將所有活細胞追溯至最早的共同祖先。
▲科學家正在研究嗜酸熱硫化葉菌（圖左）、富鹽菌（圖中）、甲烷八疊球菌（圖右）這樣的古生菌如何生長和分裂的，從而闡明復雜細胞的進化歷程
然而，在生物進化的某個階段，一些古生菌將細胞分裂的工作分配給一組不同的蛋白質(zhì)，這就是巴斯?鮑姆最新研究的切入點。他帶領研究團隊一直在研究一種叫做嗜酸熱硫化葉菌（Sulfolobus acidocaldarius）的古生菌，它與名字非常相符，它非常喜歡酸和熱，實驗室成員戴著園藝手套，從而保護自己免遭酸性液體的傷害，他們在實驗室建造了一個特殊的隔間，便于在沒有冷點或者蒸發(fā)情況下，使用顯微鏡下觀察它的分裂過程。
鮑姆的研究小組觀察到一組完全不同的蛋白質(zhì)操控分裂環(huán)，他們首次在真核生物中發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)，它們不僅參與分裂，還有更廣泛的作用，能將細胞的細胞膜分離，形成被細胞膜包裹的囊泡，以及其他較小的細胞區(qū)域。這些蛋白質(zhì)被稱為“核內(nèi)體運輸排序復體蛋白質(zhì)（ESCRTs）”，研究小組在嗜酸熱硫化葉菌中發(fā)現(xiàn)與管理分裂環(huán)的通用型鉗子的相關原始蛋白質(zhì)，這表明早期 ESCRTs 蛋白質(zhì)在真核生物的古生菌祖先中完成進化。
與此同時，F(xiàn)tsZ 蛋白質(zhì)進化成了真核微管蛋白質(zhì)，為我們?nèi)祟惣毎峁┙Y構支持，這些發(fā)現(xiàn)表明，真核生物的原始祖先可能擁有一套工具來塑造和分裂細胞，然后自然選擇適應更復雜的后代細胞的需要。
洞察真核生物的遠古祖先
但是古生菌的祖先是什么類型的細胞呢？它是如何與它的細菌伙伴相遇并融合的？
1967 年，生物學家林恩?馬古利斯首次提出一個觀點，即真核生物是由細胞吞噬其他細胞而產(chǎn)生的。大多數(shù)研究人員同意發(fā)生過細胞吞噬事件，但他們對吞噬發(fā)生的時間和真核生物內(nèi)部隔間是如何形成的有不同的觀點。德國海因里希?海涅大學進化細胞生物學家斯文?古爾德說：“之前幾十個測試模型都已夭折，因為它們的可靠度很低。”目前，隨著細菌生物學家對古生菌的理解逐漸加深，其他理論可能會興起或者衰落。
許多模型假設在細胞最終演變成真核生物之前已經(jīng)相當復雜，擁有柔性細胞膜和內(nèi)部隔間，這些理論要求細胞發(fā)展出一種吞噬外部物質(zhì)的方法，該過程被稱為細胞吞噬作用。這樣細胞就能在一次致命咬食中迅速吞噬途經(jīng)的細菌，相比之下，古爾德和其他人認為線粒體是在早期獲得的，它們隨后幫助更大、更復雜的細胞提供燃料。
這是解釋線粒體如何在沒有細胞吞噬作用情況下產(chǎn)生的少量模型之一，1984 年，大衛(wèi)?鮑姆在英國牛津大學讀本科時首次產(chǎn)生這個想法，他的研究過程從古生菌和細菌聚集在一起，共享資源開始，古生菌可能會開始伸展和膨脹其外部細胞膜，從而增加用于養(yǎng)分交換的表面積。隨著時間不斷推移，這些膨脹可能在古生菌周圍擴散和生長，直到古生菌或多或少地進入古生菌體內(nèi)。
同時，古生菌的原始外膜與周圍延伸的較長觸須相比，顯得相形見絀，逐漸被弱化，當一些特別長的觸須環(huán)繞在細胞產(chǎn)生的新外膜將逐漸形成新細胞核邊界，與古生菌的祖先相比，它顯著被膨脹擴大。這一過程不同于細胞吞噬作用，因為它從一個生物體群落開始，并在很長一段時間內(nèi)發(fā)生，而不是“簡單地咬一口”。
鮑姆的導師告訴他這個想法很有創(chuàng)意，但缺乏相關證據(jù)，便暫時未重視。但是鮑姆的興趣仍未被撲滅，大衛(wèi)?鮑姆隨后對堂弟巴斯?鮑姆分享了他對生命科學的熱愛，他回憶稱，這也是我選擇生物學專業(yè)的部分原因。
2003 年，大衛(wèi)?鮑姆決定將關于古生菌的理論記錄下來，他對堂弟巴斯寫了一封信，當時巴斯管理著自己的實驗室，在巴斯的幫助下，大衛(wèi)?鮑姆進一步發(fā)展了該理論。他們定義了生物學的幾個方面來支持自己的觀點，例如：發(fā)現(xiàn)古生菌和細菌共存并交換營養(yǎng)物質(zhì)的事實。這對兄弟努力想要發(fā)表該研究報告，最終直到 2014 年才發(fā)表在《英國醫(yī)學委員會生物學》雜志上。
大衛(wèi)?鮑姆回憶稱，該研究報告發(fā)表之后很快獲得科學界的熱烈響應，尤其是來自細胞生物學家的響應，到 2014 年，大衛(wèi)?鮑姆仍然認為他們僅有 50% 的概率是正確的。然而 5 年之后，像附了幾縷意大利面的肉丸的古生菌圖像出現(xiàn)了，鮑姆兄弟感到興奮激動。
這是首次從阿斯加德古菌（Asgard archaea）中培育出來的古生菌，2015 年曾對該生物進行了描述，其基因編碼的蛋白質(zhì)被許多科學家認為與真核生物非常相似，研究人員很快開始懷疑真核生物的遠古祖先類似于阿斯加德古菌，通過指向一個潛在的祖先物種，這項發(fā)現(xiàn)支持鮑姆兄弟的假設理論。
這種阿斯加德古菌還沒有最終進行科學命名，目前被暫定稱為“Prometheoarchaeum syntrophicum”，它是在生物反應器中生長的，放在一對微生物架上，喂食營養(yǎng)物質(zhì)。值得注意的是，這種古生菌沒有任何復雜的內(nèi)部細胞膜或者發(fā)生細胞吞噬作用的跡象。它有 3 個關聯(lián)細胞分裂的系統(tǒng)：相當于 FtsZ 蛋白質(zhì)作用的蛋白質(zhì)、核內(nèi)體運輸排序復體蛋白質(zhì)（ESCRTs）和負責肌肉收縮的肌動蛋白，肌動蛋白也有助于真核生物發(fā)生分裂，研究小組成員日本東京國家先進工業(yè)科學技術研究所微生物學家 Masaru Nobu 稱，我們還沒有弄清楚這種古生菌是通過哪一種方式進行自我分裂的。
當該古生菌細胞停止分裂并長出觸須時，研究人員感到非常驚訝，鮑姆兄弟認為，這可能會放大與古生菌共培養(yǎng)的微生物之間的營養(yǎng)交換，正如他們對這種祖先級細胞模型預測的那樣。
依據(jù)他們的觀察，Masaru Nobu 和同事們設計了一個關于真核生物如何進化的理論，該理論與鮑姆兄弟的觀點有很多相似之處。該理論提出一種能延伸出細絲的微生物，它最終可以吞噬自己的伙伴。Masaru Nobu 說：“我非常喜歡這種假設，因為它考慮到了真核生物特有的這些復雜性 —— 細胞核和線粒體。”
培養(yǎng)信心
阿斯加德古菌的圖像確實幫助并支持了鮑姆兄弟的理論，進化微生物學家、阿斯加德古菌的共同發(fā)現(xiàn)者安雅?斯潘說：“它們能形成這些突起是非常令人興奮的，這一切都是有密切關聯(lián)的，因為如果一個祖先物種可以形成這樣的突出物，它就可以使古生菌和細菌的聯(lián)合體變得更加緊密?！?/p>
目前鮑姆兄弟評估他們的理論正確率達到 80%，但他們并不是唯一有信心的人，英國醫(yī)學研究委員會生物化學家拉馬努金?赫格德從事多年研究細胞膜蛋白，他正在編寫即將出版的第七版《細胞分子生物學》教材，他和同事決定將鮑姆兄弟提出的假說理論取代當前版本中基于細胞吞噬作用的理論模型，當然該理論仍沒有相關證據(jù)，赫格德謹慎地使用“可能有”等不確定的術語。
事實上，包括古爾德在內(nèi)的其他一些專家認為，鮑姆兄弟的理論模型并沒有完全解釋這些膜突是如何進化成薄膜的，在細胞周圍閉合形成一個完整的外邊界或者獲得細胞膜的特征。為了解釋這種類似細菌的細胞膜結構，古爾德和同事基于獨立生存細菌和線粒體定期釋放囊泡的事實，研究開發(fā)了一個模型。2016 年，他們提出，原真核生物首先獲得了線粒體（他們的理論并未具體說明是如何獲得的），線粒體滲出囊泡進入細胞中。這些囊泡為進化中的真核生物構建其內(nèi)部結構和外部邊界提供了膜材料，古爾德稱，這可以解釋為什么真核生物的細胞膜為什么看起來像細菌。
隨著研究人員繼續(xù)培育和研究古生菌，這些最新提出的理論模型和其他相互競爭的模型要么獲得支持，要么被徹底推翻，目前科學家在實驗室成功培育幾十種微生物。巴斯?鮑姆和他的合作者正在研究古生菌的共生關系，并分析微生物系譜，從而進一步驗證他們的想法，Masaru Nobu 和同事正在對這些觸須狀突起進行更詳細的研究，并研究其他的阿斯加德古生菌。
也許還有更多的證據(jù)亟待發(fā)現(xiàn)，例如：鮑姆兄弟預測真核生物的觸須膜還沒有完全與外部細胞膜斷開，這與他們理論中的中間體相對應。這似乎是極可能存在的，暗示著人類的生存歸功于古生菌和細菌之間一段古老的“愛情故事”，巴斯?鮑姆說：“人體的一部分源自遠古細菌，一部分源自古生菌，還有一部分是不斷進化的結果?！?/p>
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