一种新发现的生命形态,或许可以揭示生命起源

作者:李彤馨/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-08-21

它可能是真核生物的起源。

一种新发现的生命形态,或许可以揭示生命起源

(图片来源:Imachi et al., bioRxiv, 2019)

2010年,科学家在对北冰洋海底采集的沉积物岩心进行DNA分析时,他们发现了一些令人惊讶的东西。一种以前未知的属于古细菌(Archaea)的微生物,而它的基因组特征似乎与真核生物(Eukaryota)有关。

他们在格陵兰岛附近的Loki's Castle热液喷口发现该生物,并将其命名为Lokiarchaeota(以下简称Loki);但更大的怀疑给这一发现掩上了一层阴影:样品是否被岩心的其他东西所污染了?

现在,多亏了日本科学家的努力,这些疑惑得到了平息。他们第一次隔离了Loki,并在实验室里培育了它。

这意味着,研究人员可能第一次对活着的Loki进行了观察和研究,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第一个祖先。

生命之树在其基础上可以被分为三个领域。其中之一被细菌所占——没有细胞核或膜结合的细胞器的单细胞微生物,通过摆动称为鞭毛的毛发状结构四处游走。另一种则是真核生物,其细胞具有细胞核和细胞膜。该领域包含了我们人类、动物、植物和藻类。

还有就是古细菌。它们很像细菌,因为缺乏细胞核和与膜结合的细胞器,并使用鞭毛来四处走动。但它们之间存在着关键的区别。它们的细胞壁由略有不同的物质组成,它们的RNA差异很大,足以将它们在生命之树上分割开来。

但随后出现了Loki——还有其它具有真核生物特征的古细菌标本。它们被命名为ThorarchaeotaOdinarchaeotaHeimdallarchaeota(遵循相同的命名规定)。

总体而言,它们被称为是阿斯加德古细菌(Asgard archaea),一些科学家认为它可能是真核生物的起源——也许是在阿斯加德一样的古细菌吞噬了一种细菌之后。

但是,如果不对生物体进行单独的详细研究,就很难分辨出来。这就是日本科学家的功劳所在。他们在2006年从海平面以下2533米(8,310英尺)的南海海槽中的海底找回了沉积物岩芯。

这是在众人知道阿斯加德古细菌之前。不久后,对此丰富样本的RNA分析才发现存在类似Loki的有机体。

团队刚开始工作时,还不知道了这一点。在连续流生物反应器系统中,他们不断注入甲烷来模拟深海甲烷排放的条件,在其中培育了五年样品。在这个条件下,微生物缓慢地成倍增长着。

下一步就是将生物反应器中的样品放入含有营养物质的玻璃管中,以保持它们的营养和生长。在那里,他们又等待了一年,终于开始发展出了非常微弱的Loki群体。

然后,团队投入了更多的时间来隔离、培养和增长这个缓慢分化的细菌群。常见的细菌群通常需要花费约半小时翻倍,而Loki则花了20天。

研究人员在论文中写道:“重复的亚培养在古细菌极低的生长速度和细胞产量下,丰富了古细菌的菌群。培养物一直有30-60天的滞后期,需要3个多月才能完全生长。而培养温度的变化,基质的组合和浓度对于滞后期、生长速率或细胞产量没有明显的改善。”

总的来说,这个实验花费了12年。研究人员将他们培育的微生物命名为Prometheoarchaeum syntrophicum ——在普罗米修斯之后,古希腊神话中的泰坦被认为是用黏土创造了人类。

他们有了一些有趣的发现。第一种观点认为,Prometheoarchaeum只有在一种或两种微生物存在的情况下才会生长,这两种微生物分别是古甲烷菌和氟脱硫弧菌。当Prometheoarchaeum将氨基酸分解成食物时,它会产生氢,而其他微生物则以氢为食。

实验表明,如果允许氢在周围徘徊,这可能会进一步阻碍Prometheoarchaeum那已经很慢的生长速度,表明古细菌和其它生物存在着共生关系——在这种情况下,意味着一个物种或两个物种的生长取决于另一个物种吃什么。

当在电子显微镜下检查这个有机体时,它揭示了一个不寻常的形状,一个长长的触角从它的体内发芽,它的伙伴微生物就依附在上面。研究人员假设,当地面上的氧气开始增加时,这种有机体转而与使用氧气的细菌产生关系,增加其生存机会,并走上了成为真核生物的道路。

事实上,DNA测序揭示了其它阿斯加德古细菌的真核特征。

显然,还有许多工作要做。Prometheoarchaeum可能与数十亿年前的古细菌大相径庭。远不能确定真核生物是从古生物进化而来的。

到目前为止,这项研究还没有经过同行评审,因此了解科学界对此的看法将是一件有趣的事情。但无论现在发生什么,我们都将从这项工作中学到很多。

“这是一篇具有里程碑意义的论文,反映了巨大的工作量和毅力,”瓦赫宁根大学的进化微生物学家Thijs Ettema对《自然》杂志说。

“这向了解这一重要血统迈出了重要的一步。”

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