新發現的古細菌或能解答真核生物起源之謎

圖為湯姆·希德勒斯頓扮演的洛基。

圖中從斑馬到樹木，都是真核生物。

線粒體是真核生物細胞的能量之源。

　　新浪科技訊 北京時間11月22日消息，據國外媒體報道，在大西洋中部的格陵蘭島與挪威之間的海面下方2300米處，有一塊煙霧密布的黑暗區域，熱水不斷地從海床中湧出。這塊奇怪的地方名叫「洛基城堡」，得名於外形變化多端的北歐神祗洛基（Loki），也就是湯姆·希德勒斯頓（Tom Hiddleston）在電影《復仇者聯盟》中扮演的角色。

　　在洛基城堡附近，生活著一種與眾不同的微生物。2015年，一支由瑞典烏普薩拉大學的微生物學家泰斯·艾特瑪（Thijs Ettema）帶領的科研團隊報告稱，他們在距洛基城堡約15公里處的海床沉澱物中發現了一種新型單細胞微生物的基因痕迹。該團隊將這種新發現的微生物命名為「Lokiarchaeota」，簡稱為「洛基」。

　　研究發現，這種神秘的微生物其實是真核生物關係最近的近親。從植物到真菌，從昆蟲到人類，所有複雜生物都屬於真核生物。這說明「洛基」可以幫助我們研究真核生物的形成過程。換句話說，「洛基」也許將有助於我們解開人類和所有複雜生物的起源之謎。

　　作為神祗的洛基常常被描述為「一個極其複雜、令人困惑、性格自相矛盾的人物」。而真核生物也是如此。真核生物究竟是如何出現的？全世界的科學家都對此困惑不已。一直到幾十年前，生物學家還認為地球上基本只存在兩種生物：真核生物和原核生物。真核生物既包含微生物、又包含更複雜的生物形態，如蘑菇和黑猩猩等；而原核生物則完全由單細胞生物組成，其中最出名的就是細菌。

古細菌也許是所有真核生物的祖先。

真核生物的細胞結構極為複雜。

細菌在地球上無處不在。

　　原核生物與真核生物之間最大的不同在於細胞的複雜程度。原核生物的細胞十分簡單，僅包含寥寥幾種內部結構，而真核生物的細胞則複雜得多。真核生物的細胞體積也更大，通常是原核生物的十倍左右。正因為真核生物的細胞如此複雜，功能如此強大，它們才能組成像人類一樣的多細胞生物。而原核生物就做不到這一點。因此，如果真核生物不曾出現的話，人類也就無從談起了。

　　多年以來，人們一直認為簡單生命和複雜生命之間存在一條清晰的界限。但後來一名科學家證明了地球上還存在其它的生命形式。上世紀60年代末，美國微生物學家卡爾·烏斯（Carl Woese）對微生物的DNA序列展開了研究，分析它們之間是否存在某種聯繫。烏斯發現，有一個基因是所有微生物所共有的，並對該基因的不同變種進行了比較。結果發現，擁有相似變種的微生物本身之間也存在密切的聯繫。通過這種方法，他繪製了一幅包含所有已知微生物的「家族樹」。

　　烏斯的分析顯示，原核生物主要分為兩類。除細菌之外還有另一類原核生物，他將其稱為「古細菌」（archaea）。和細菌類似，古細菌也是細胞結構較為簡單的單細胞生物。它們的外觀與細菌相似，但基因則有天壤之別。古細菌廣泛存在於世界各地，許多都可以在極端條件下存活，如沸水中等等。

　　烏斯的家族樹將生物分成了三類：細菌、古細菌和真核生物。1977年，他將研究結果發表在了期刊《PNAS》（美國國家科學院院刊）上。由於研究成果具有革命性意義，烏斯登上了《紐約時報》的封面。受到烏斯觀點的啟發，科學家們紛紛開始研究真核生物的起源之謎。真核生物是三種主要生物中出現時間最短的。細菌和古細菌的歷史可以追溯到30億年前，而真核生物約20億年前才出現。

　　但其中的過程和原因究竟是什麼呢？真核生物是否從細菌、或古細菌演變而來？真核生物的細胞又為什麼比其它兩種生物大那麼多呢？也許最關鍵的線索埋藏在真核生物細胞的線粒體中。這些香腸狀的細胞器是細胞的能量之源，沒有了它們，真核細胞就不可能長得這麼大。

　　在烏斯發表家族樹研究的十年前，生物學家林恩·馬古利斯（Lynn Margulis）提出，線粒體是從細菌演變而來的。有些細菌不知通過何種方式、進入了其它更大的細胞內部，逐漸形成了線粒體。1978年，烏斯發表研究的第二年，馬古利斯的觀點得到了實驗驗證。

　　這意味著，第一個真核細胞是在某個宿主細胞吞噬了一個細菌之後形成的。在此之後，它們之間便形成了長期的互利共生關係，逐漸向真核生物轉化。但其中的問題也顯而易見：宿主細胞究竟是什麼？是另一個細菌？還是某個古細菌？要解決這個問題，最好的方法是參考烏斯的研究結果，研究真核生物的基因，看看它們更接近古細菌還是細菌。這可以為我們提供有用的線索。

圖為內部含有水藻的阿米巴原蟲。

圖為一種名叫Pyrococcus furiosus的嗜熱古細菌。

圖為一枚吞噬了兩個細菌的免疫細胞（圖中呈綠色）。

　　但這個問題比你想像得更難回答。真核生物基因組中往往既有細菌基因、又有古細菌基因，此外還有一些真核生物所獨有的基因。不過科學家於2010年證實，古細菌才是最初的宿主細胞。但還有一個問題：在我們已知的古細菌中，沒有一種具備成為宿主細胞的資質。它們都缺少成為宿主細胞所需的基因和細胞器。「但『洛基』的發現改變了這一局面。」艾特瑪指出。

　　「洛基」在2015年剛剛被發現時，看上去顯然是一種古細菌。但令人驚奇的是，它還具備一些與真核生物相似的特質。「它是我們發現的第一種擁有真核生物基本構造的原核生物。」艾特瑪說道，「我們在它體內發現了100種僅與真核生物有關的特殊基因。」

　　具體來說，「洛基」的基因組中包含一些能夠產生小GTPases蛋白的基因，它們對細胞的形狀和運動起到了重要的作用。例如，真核細胞有用來維持自身形狀的「骨架」，小GTPases蛋白的作用就是對這些骨架進行控制。它們還能產生一系列蛋白質，讓細胞膜可以彎曲。

　　「洛基」體內存在這些基因，說明它們就像真核生物一樣，也有細胞內骨架；它們還能彎曲外層細胞膜，從而將細菌吞入體內。這些特點使它們很適合作為宿主細胞，至少是我們已知微生物中最為接近的一種。

　　「洛基」所屬的古細菌也許差點就演變成了真核生物，但還差那麼一點。這個理論看似令人信服，但還存在一個嚴重的問題。艾特瑪的研究團隊僅僅在海床中發現了「洛基」的基因碎片。他們從未見過「洛基」本身的模樣，也不曾在實驗室中培養過它。因此，我們並不知道「洛基」體內的小GTPases蛋白髮揮的作用是否與在真核生物體內相同。要想弄清這一點，我們只能對活「洛基」細胞進行研究。

　　但就算有人成功找到了「洛基」細胞，這一點依然很難做到。這些微生物生活在深深的海底，營養物質貧乏，微生物生長的速度極為緩慢。不過，艾特瑪和同事們並沒有放棄尋找「洛基」。除了海底之外，淺水沉積物、河口和熱泉中似乎也有它們的存在。與此同時，其他科學家也在利用「洛基」存在的證據，改進我們對真核生物起源的了解。

　　發現了「洛基」之後，倫敦大學學院的細胞生物學家巴斯·巴姆（Buzz Baum）帶領的研究團隊針對古細菌向真核生物的演變過程提出了自己的見解。他們對「洛基」基因組中發現的類似真核生物的基因進行了研究，特別是與小GTPases蛋白相關的基因。

　　在真核生物細胞中，GTPases蛋白主要負責將物質運輸到細胞膜內部。為了使這一過程順利進行，每個GTPases蛋白都攜帶了一些「脂類」，即較小的脂肪分子，幫助它們附著在細胞膜表面。沒有了這些脂類，GTPases蛋白就無法完成自己的使命。

　　但「洛基」的基因組中沒有將脂類添加到GTPases蛋白中的相關基因。這意味著，如果真核生物的祖先就像「洛基」這樣的話，它們利用GTPases蛋白的方式一定有所不同，需要通過別的方式獲取這種能力。

圖為一枚正在吞噬細菌（粉色）的免疫細胞（紫色）。

　　而細菌體內的確有類似這種負責添加脂類的前體結構，說明古細菌也許是從細菌中獲取了這種能力的。巴姆指出，這不是一個一蹴而就的過程。如果古細菌中忽然加入了許多新基因，細胞生命流程就會被擾亂，也許會因此死亡。

　　更可能的情況是，古細菌和細菌先形成了一種穩定的合作夥伴關係，然後逐漸開始一點點交換基因物質和脂類。隨著這種合作關係持續發展，它們最終會開始交換內部構造和細胞膜。也就是說，真核生物的形成經歷了一個緩慢的過程。雖然也有可能發生「吞噬」細菌這樣劇烈的變化，但這只是所需步驟中的一步而已。針對細菌的吞噬過程，巴姆也提出了一套清晰的理論。

　　通常的想法是一個「從外到內」的過程，古細菌作為宿主，將細菌「吞」進了自己體內，但由於某種原因，古細菌沒能消化掉它。不過這種情況很難說得通：既然古細菌吞下了一口食物，為何不把它消化掉呢？因此，巴姆和同事戴維·巴姆（David Baum）提出了另一種理論，他將其稱作「從裡到外」模型。他同樣假設這兩個細胞之間的關係是逐漸建立起來的。

　　巴姆提出，宿主古細菌先是向附近的細菌伸出了「觸手」，但目的並不是吞噬細菌，而是通過「觸手」，實現與細菌之間的物質交換。最終，這些「觸手」長得越來越多，逐漸將細菌整個包裹了起來。「這些觸手逐漸融合在了一起，形成了一層連續的外膜。」巴姆手下的的博士後研究員哥塔姆·戴伊（Gautam Dey）解釋道。

　　目前我們還無法證明巴姆的理論是否正確。但如果艾特瑪找到了更多「洛基」的近親，也許我們就能獲得足夠的信息、做出準確判斷了。近幾個月中，艾特瑪找到了一些「洛基」的近親，它們同樣與真核生物有著密切的聯繫。該研究工作仍處在早期階段，但他指出，這些古細菌也具有真核生物的基本組成結構。

　　艾特瑪稱，他們正在一點點地完成這幅「拼圖」。等到「洛基」或其它類似的微生物被完整地分離出來，我們就能弄清它們的形成過程、以及對類似真核生物的蛋白質的利用方式了。而這反過來也將告訴我們，微生物是如何逐步演化成各類生命的。（葉子）

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