北京時(shí)間 7 月 7 日消息，隨著科學(xué)家對神秘古生菌了解的越來越多，他們正在尋找有關(guān)構(gòu)成人類、植物等復(fù)雜生命細(xì)胞的進(jìn)化線索。
2019 年 8 月，美國威斯康辛大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家大衛(wèi)?鮑姆曾翻閱了一本預(yù)印本，能夠與人類的遠(yuǎn)親“面對面接觸”，或者確切地說是“面對細(xì)胞”，這個(gè)遠(yuǎn)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(xì)菌，在 bioRxiv 發(fā)布的一份預(yù)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。
▲ 科學(xué)家花費(fèi) 12 年時(shí)間培育出一種生長緩慢、長有觸須的古生菌，它被認(rèn)為與復(fù)雜細(xì)胞的祖先存在相似之處
鮑姆曾花很多時(shí)間想象人類的遠(yuǎn)古祖先會(huì)是什么樣，事實(shí)上古生菌就是人類完美的“分身”，盡管兩者的外形相差懸殊。
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(shí)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(fù)雜生命如何進(jìn)化形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。許多科學(xué)家猜測，古生菌可能導(dǎo)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(shí)，部分科學(xué)家認(rèn)為，真核生物和古生菌也有可能是由一些更遙遠(yuǎn)的共同祖先物種進(jìn)化產(chǎn)生。
真核細(xì)胞是具有復(fù)雜內(nèi)部特征的宮殿結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包括容納遺傳物質(zhì)的細(xì)胞核，以及產(chǎn)生能量和構(gòu)建蛋白質(zhì)的獨(dú)立隔膜，一種關(guān)于它們進(jìn)化演變的主流理論認(rèn)為，它們起源于古生菌，在進(jìn)化歷程中可能與另一種微生物結(jié)合。
但是研究人員在探索該觀點(diǎn)時(shí)遇到了困難，部分原因是古生菌很難在實(shí)驗(yàn)室中生長和研究，古生菌受到的關(guān)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(gè)未解謎團(tuán)。
古生菌研究僅是被賦予生命的“寵物理論”？
▲ 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
目前，研究人員可能比以往任何時(shí)候更接近一個(gè)貌似有理的進(jìn)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(shí)驗(yàn)室不斷發(fā)明處理古生菌的方法，細(xì)胞生物學(xué)家正在比以前更詳細(xì)地觀察它們。澳大利亞悉尼科技大學(xué)分子微生物學(xué)家伊恩?達(dá)金說：“在過去十年里，關(guān)于這種神秘微生物種群的發(fā)布的研究報(bào)告幾乎增長一倍，而且對古生菌的生物學(xué)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(gè)新觀點(diǎn)，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(guān)。來自世界各地的微生物學(xué)家都為這些圖像感到興奮，但對鮑姆而言，這僅是一個(gè)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(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞生物學(xué)家巴斯?鮑姆發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于真核生物起源的假說理論，他們預(yù)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(xì)菌周圍，之后它們轉(zhuǎn)變成為真核細(xì)胞的一個(gè)顯著特征：菱形的能量制造器，即線粒體。
當(dāng)大衛(wèi)?鮑姆盯著這些像意大利面條一樣古生菌時(shí)，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(rèn)為之前的假說理論似乎是有道理的。
基本的奧秘
▲ 科學(xué)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(fù)雜細(xì)胞的進(jìn)化歷程
如果真核生物真的是一種增強(qiáng)版的古生菌，那么科學(xué)家必須了解古生菌，才能弄清楚更復(fù)雜的細(xì)胞是如何形成的。雖然研究真核生物和古生菌的科學(xué)家已花費(fèi)幾十年時(shí)間深入觀察研究細(xì)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(gè)未解謎團(tuán)。德國弗萊堡大學(xué)分子微生物學(xué)家索尼婭?阿爾伯斯說：“古生菌的每次活動(dòng)方式都不一樣，例如：相關(guān)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(xì)胞都有一個(gè)共同點(diǎn)，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(xì)胞為基礎(chǔ)的生命共同祖先上，但隨著生物適應(yīng)了它們的生態(tài)龕位，這個(gè)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(jìn)化過程，所有細(xì)胞生命形式所共有的任何機(jī)制都指向最早期細(xì)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(xì)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(gè)母體提供的。例如：將真核細(xì)胞從外界環(huán)境中分離出來的柔性膜就非常類似細(xì)菌結(jié)構(gòu)。
達(dá)金研究的是一種叫做富鹽菌（Haloferax volcanii）的細(xì)胞分裂過程，該細(xì)菌喜歡咸水環(huán)境，例如：死海，而不是火山。事實(shí)上，富鹽菌的命名是以微生物學(xué)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(xì)胞組織。
盡管體形較大的富鹽菌與細(xì)菌、真核生物和古生菌存在著巨大差異，但它們確實(shí)有一些相同的細(xì)胞分裂系統(tǒng)，在細(xì)菌體中，有一種名為 FtsZ 的蛋白質(zhì)，在未來細(xì)胞分裂部位形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。同樣，達(dá)金和同事在富鹽菌中也觀察到同樣的情況，因此，他們認(rèn)為 FtsZ 蛋白質(zhì)似乎處于細(xì)胞進(jìn)化樹底部。
目前，科學(xué)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(xué)分子微生物學(xué)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(jìn)化生物學(xué)家尼卡?彭德稱，SepF 和 FtsZ 蛋白質(zhì)，可能都是細(xì)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(xì)胞追溯至最早的共同祖先。
然而，在生物進(jìn)化的某個(gè)階段，一些古生菌將細(xì)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(diǎn)。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室研究人員戴著園藝手套，從而保護(hù)自己免受嗜熱硫化葉菌生活的酸性液體帶來的傷害，實(shí)驗(yàn)室成員戴著園藝手套，從而保護(hù)自己免遭酸性液體的傷害，他們在實(shí)驗(yàn)室建造了一個(gè)特殊的隔間，便于在沒有冷點(diǎn)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(xì)胞的細(xì)胞膜分離，形成被細(xì)胞膜包裹的囊泡，以及其他較小的細(xì)胞區(qū)域。這些蛋白質(zhì)被稱為“核內(nèi)體運(yùn)輸排序復(fù)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(guān)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(jìn)化。
與此同時(shí)，F(xiàn)tsZ 蛋白質(zhì)進(jìn)化成了真核微管蛋白質(zhì)，為我們?nèi)祟惣?xì)胞提供結(jié)構(gòu)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(xì)胞，然后自然選擇適應(yīng)更復(fù)雜的后代細(xì)胞的需要。
洞察真核生物的遠(yuǎn)古祖先
但是古生菌的祖先是什么類型的細(xì)胞呢？它是如何與它的細(xì)菌伙伴相遇并融合的？
1967 年，生物學(xué)家林恩?馬古利斯首次提出一個(gè)觀點(diǎn)，即真核生物是由細(xì)胞吞噬其他細(xì)胞而產(chǎn)生的。大多數(shù)研究人員同意發(fā)生過細(xì)胞吞噬事件，但他們對吞噬發(fā)生的時(shí)間和真核生物內(nèi)部隔間是如何形成的有不同的觀點(diǎn)。德國海因里希?海涅大學(xué)進(jìn)化細(xì)胞生物學(xué)家斯文?古爾德說：“之前幾十個(gè)測試模型都已夭折，因?yàn)樗鼈兊目煽慷群艿??！蹦壳埃S著細(xì)菌生物學(xué)家對古生菌的理解逐漸加深，其他理論可能會(huì)興起或者衰落。
許多模型假設(shè)在細(xì)胞最終演變成真核生物之前已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，擁有柔性細(xì)胞膜和內(nèi)部隔間，這些理論要求細(xì)胞發(fā)展出一種吞噬外部物質(zhì)的方法，該過程被稱為細(xì)胞吞噬作用。這樣細(xì)胞就能在一次致命咬食中迅速吞噬途經(jīng)的細(xì)菌，相比之下，古爾德和其他人認(rèn)為線粒體是在早期獲得的，它們隨后幫助更大、更復(fù)雜的細(xì)胞提供燃料。
這是解釋線粒體如何在沒有細(xì)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(xué)讀本科時(shí)首次產(chǎn)生這個(gè)想法，他的研究過程從古生菌和細(xì)菌聚集在一起，共享資源開始，古生菌可能會(huì)開始伸展和膨脹其外部細(xì)胞膜，從而增加用于養(yǎng)分交換的表面積。隨著時(shí)間不斷推移，這些膨脹可能在古生菌周圍擴(kuò)散和生長，直到古生菌或多或少地進(jìn)入古生菌體內(nèi)。
同時(shí)，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(dāng)一些特別長的觸須環(huán)繞在細(xì)胞產(chǎn)生的新外膜將逐漸形成新細(xì)胞核邊界，與古生菌的祖先相比，它顯著被膨脹擴(kuò)大。這一過程不同于細(xì)胞吞噬作用，因?yàn)樗鼜囊粋€(gè)生物體群落開始，并在很長一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生，而不是“簡單地咬一口”。
鮑姆的導(dǎo)師告訴他這個(gè)想法很有創(chuàng)意，但缺乏相關(guān)證據(jù)，便暫時(shí)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(xué)的熱愛，他回憶稱，這也是我選擇生物學(xué)專業(yè)的部分原因。
2003 年，大衛(wèi)?鮑姆決定將關(guān)于古生菌的理論記錄下來，他對堂弟巴斯寫了一封信，當(dāng)時(shí)巴斯管理著自己的實(shí)驗(yàn)室，在巴斯的幫助下，大衛(wèi)?鮑姆進(jìn)一步發(fā)展了該理論。他們定義了生物學(xué)的幾個(gè)方面來支持自己的觀點(diǎn)，例如：發(fā)現(xiàn)古生菌和細(xì)菌共存并交換營養(yǎng)物質(zhì)的事實(shí)。這對兄弟努力想要發(fā)表該研究報(bào)告，最終直到 2014 年才發(fā)表在《英國醫(yī)學(xué)委員會(huì)生物學(xué)》雜志上。
大衛(wèi)?鮑姆回憶稱，該研究報(bào)告發(fā)表之后很快獲得科學(xué)界的熱烈響應(yīng)，尤其是來自細(xì)胞生物學(xué)家的響應(yīng)，到 2014 年，大衛(wèi)?鮑姆仍然認(rèn)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(dòng)。
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(jìn)行了描述，其基因編碼的蛋白質(zhì)被許多科學(xué)家認(rèn)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(yuǎn)古祖先類似于阿斯加德古菌，通過指向一個(gè)潛在的祖先物種，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)支持鮑姆兄弟的假設(shè)理論。
這種阿斯加德古菌還沒有最終進(jìn)行科學(xué)命名，目前被暫定稱為“Prometheoarchaeum syntrophicum”，它是在生物反應(yīng)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(fù)雜的內(nèi)部細(xì)胞膜或者發(fā)生細(xì)胞吞噬作用的跡象。它有 3 個(gè)關(guān)聯(lián)細(xì)胞分裂的系統(tǒng)：相當(dāng)于 FtsZ 蛋白質(zhì)作用的蛋白質(zhì)、核內(nèi)體運(yùn)輸排序復(fù)體蛋白質(zhì)（ESCRTs）和負(fù)責(zé)肌肉收縮的肌動(dòng)蛋白，肌動(dòng)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(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所微生物學(xué)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(jìn)行自我分裂的。
當(dāng)該古生菌細(xì)胞停止分裂并長出觸須時(shí)，研究人員感到非常驚訝，鮑姆兄弟認(rèn)為，這可能會(huì)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(jí)細(xì)胞模型預(yù)測的那樣。
依據(jù)他們的觀察，Masaru Nobu 和同事們設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于真核生物如何進(jìn)化的理論，該理論與鮑姆兄弟的觀點(diǎn)有很多相似之處。該理論提出一種能延伸出細(xì)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(shè)，因?yàn)樗紤]到了真核生物特有的這些復(fù)雜性 —— 細(xì)胞核和線粒體?！?/p>
培養(yǎng)信心
阿斯加德古菌的圖像確實(shí)幫助并支持了鮑姆兄弟的理論，進(jìn)化微生物學(xué)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(guān)聯(lián)的，因?yàn)槿绻粋€(gè)祖先物種可以形成這樣的突出物，它就可以使古生菌和細(xì)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(dá)到 80%，但他們并不是唯一有信心的人，英國醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)生物化學(xué)家拉馬努金?赫格德從事多年研究細(xì)胞膜蛋白，他正在編寫即將出版的第七版《細(xì)胞分子生物學(xué)》教材，他和同事決定將鮑姆兄弟提出的假說理論取代當(dāng)前版本中基于細(xì)胞吞噬作用的理論模型，當(dāng)然該理論仍沒有相關(guān)證據(jù)，赫格德謹(jǐn)慎地使用“可能有”等不確定的術(shù)語。
事實(shí)上，包括古爾德在內(nèi)的其他一些專家認(rèn)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(jìn)化成薄膜的，在細(xì)胞周圍閉合形成一個(gè)完整的外邊界或者獲得細(xì)胞膜的特征。為了解釋這種類似細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，古爾德和同事基于獨(dú)立生存細(xì)菌和線粒體定期釋放囊泡的事實(shí)，研究開發(fā)了一個(gè)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(jìn)入細(xì)胞中。這些囊泡為進(jìn)化中的真核生物構(gòu)建其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xì)胞膜為什么看起來像細(xì)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(xué)家在實(shí)驗(yàn)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(guān)系，并分析微生物系譜，從而進(jìn)一步驗(yàn)證他們的想法，Masaru Nobu 和同事正在對這些觸須狀突起進(jìn)行更詳細(xì)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(yù)測真核生物的觸須膜還沒有完全與外部細(xì)胞膜斷開，這與他們理論中的中間體相對應(yīng)。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(xì)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(yuǎn)古細(xì)菌，一部分源自古生菌，還有一部分是不斷進(jìn)化的結(jié)果?！?/p>
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