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潜到海底,抓

时间:2015-05-22 19:40来源:网络 作者:未知 阅读:

洛基城堡(Loki's Castle)坐落在格陵兰和挪威之间,距海平面大概2300米的水下。那里布满海底热泉口——黑色的岩石烟囱不断喷涌出超高温的热液。然而即使是在这样地狱般的景观中,生命也大量地存在着。

在距离泉口15千米的地方,由瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University)的泰斯·艾特玛(Thijs Ettema)教授带队的一组科学家发现了一种非常特别的全新微生物。它们是现存的与所有真核生物——包括所有动物、植物、真菌以及地球上的全部其他复杂生物的庞大类群——亲缘关系最近的物种。

艾特玛将这种新的微生物命名为“洛基古菌”(Lokiarchaeota,读作“low-key-ar-kay-oh-tuh”),这个名字的灵感部分取自于它们被发现处的位置(洛基城堡),部分则来自于那里那些被命名为“南娜”(北欧神话人物)的热泉口。洛基(Loki)擅长恶作剧,又是个优秀的化形者。艾特玛写道,洛基有着“惊人复杂、令人困惑而又充满矛盾的形象,曾催生出是无数未解的学术争议。”而这些描述也完全可以应用于真核生物自身。

洛基:“啊,被发现了……”图片来源:vk.com

细菌古菌一相逢,才生却真核无数?

真核生物涵盖了所有我们最熟悉的生物,当然包括那些我们可以用肉眼就能看到的。所有的生物都可以被包含在真核域、细菌域和古菌域这三域之中,而真核生物仅仅是三域系统的其中一支。另外两域,即细菌域和古菌域则由单细胞生物组成——它们看上去无比相似,从生化角度看却属于完全不同的世界。

原核生物和真核生物之间有着巨大的鸿沟,而这道鸿沟只被突破过一次。所有的真核生物都起源于20亿年前的一个共同祖先,细菌则要在此之前再早上10亿年——而在这段漫长的时间里,它们一直保持着简单的生命形态。它们中的一部分朝真核化靠近了一点点,获得了一或两项复杂的性状,但没有一种走完全程的——除了那一次。这是为什么?

其中一种答案,也是我更喜欢的那一种,认为真核生物的出现源自古细菌与细菌的一次不可思议也不可复制的融合。细菌最终成为我们所有细胞中存在的线粒体,它为自己的古细菌宿主提供了额外的能量来源,使其可以打破进化的束缚,达到基因和物理学复杂性的新高度。

我们知道早期的细菌从属于α-变形菌(alphaproteobacteria)——这类细菌中的许多成员至今仍保留着进入其他生物细胞中的习惯。而古细菌又怎么样呢?它们从属于哪个类群?我们至今仍不得而知,这很大程度要归因于对于古细菌的研究少得可怜。

从基因组看洛基

为了解开这一谜题,艾特玛的团队在海床沉积物中进行搜寻。洛基城堡是他们搜索的第一个地方,而神奇的是,“洛基”就在他们分析的第一种样本里。

洛基的隐匿之处“洛基城堡”。图片来源:R.B. Pedersen,Centre for Geobiology University of Bergen

通过对样本进行DNA测序,他们重构了一个最完整的基因组(被他们称为 “Lokiarchaeum”,简称也就是“洛基”)以及两段部分基因组片段。科学家们自己并没有“看到”这种古细菌本身,他们只是通过基因组进行了解的。

这没问题——许多微生物都是首先通过基因组发现的,而基因组也会提供有机体的很多信息。例如洛基的基因就提示,它可能会具有从前被认为只有真核生物才拥有的特征。例如,洛基的基因就提示,这种生物可能会具有从前被认为只有真核生物才拥有的特征:它有5个编码肌动蛋白的基因,在真核生物中,这些蛋白被用于构建它们细胞内骨架的分子;它的另一些基因编码能剪切部分细胞膜的产物,有助于细胞分裂或打包不需要的分子以循环利用;此外,它还包含大量只应出现在真核细胞中的、编码一种叫做“小GTP酶”蛋白的基因。这种酶在各种任务中发挥作用,同时也有助于控制和重编码细胞内骨架。

艾特玛写道:“我们很容易会去猜测,洛基具有动态的肌动蛋白骨架。”这些骨架不仅仅用于将分子从一处移动到另一处,更会用于真核细胞自身形状的改变以及吞噬其他细胞。爱尔兰梅努斯大学的詹姆斯·麦克因纳尼(James MacInerney)评论说,洛基的基因组,尤其是小GTP酶那一部分,“虽然并不是这一生物具有吞噬能力的直接证据,但的确是有力证据。”

“它帮助我们解决了一些之前在考虑真核生物由两种原核生物融合而成的理论时遇到的问题。”他补充说。融合论的抨击者们曾表示,如果两种细胞都不具有吞噬能力,那么就不可能一种进入到另一种之中去(尽管这样的情况时有发生)。他们还指出,这两种细胞都不具有广泛的细胞骨架,那真核细胞的骨架是从哪里来的?好吧,现在这里有一种古细菌可能既能够吞噬,又有细胞骨架——或者更可能具备两者的原始雏形。“我们距离理解复杂性的演变过程又近了一点。”艾特玛补充说。

从原核到真核的路上,洛基走了多远?

要澄清的是,洛基是现代微生物。它并不是我们的祖先,虽然它可能同样是我们祖先所属族群的一支。它暗示着我们的祖先比我们想象的要复杂得多。“它为我们展现了从原核生物到真核生物的一条更简单的途径。”麦克因纳尼说,“看上去,古细菌作为融合宿主的观点是有瑕疵的,甚至至今还有人认为这种现象不可能存在。但它其实已经准备好了,它拥有那些使它成为优秀宿主的关键基因。”

伦敦大学学院的尼克·莱恩(Nick Lane)刚刚出版了一本关于复杂生命起源的新书,他对这一结果并没有那么信服。“结论太夸张了,”他表示,“洛基提供了一些关于古菌能力的有趣情况,让我们知道古菌能做的事超出我们想象——但是要成为真核生物,它们才不过走了1%的路。我打赌如果有人真的从海底挖一个上来,就会发现它有1-2微米长,没有吞噬能力,而且是真正的原核生物。”

我认为莱恩和艾特玛的分歧比共识要小。艾特玛并不相信洛基就处在真核生物和原核生物的正中,“它只是使鸿沟变小了一点。”他说,“说它具有吞噬能力的确言之过早,但它已经具有了这样做的要素,也许它只是徘徊在如何做到这点的路上。”

抓住洛基的“真身”

无论洛基到底像什么,它都为融合理论提供了可信度。它清楚地展现了真核细胞的演化来源于古细菌,两者并非像旧理论中所说的那样是姐妹族群。我们基本上是古细菌不小心搭上了进化火箭的结果——当然,这还要多谢那些挤进来的细菌。

泰斯·艾特玛将继续搜索洛基的“真身”。图片来源:ettemalab.org

艾特玛的当务之急是研究洛基的细胞结构。“如果我们能得到这些细胞的影像,看到它们究竟有多复杂,我们将了解很多事情。这绝对是优先级列表前排的任务。”他说,“我们的研究只基于10克海底沉积物,其中的细胞数量非常有限。而且由于某些原因,洛基并不想从沉积物里出来。”

他们还会在更深层的海底沉积物里寻找更多古细菌。鉴于他们这么快就发现了洛基,他们有很大几率会发现更多新的古细菌,它们中的一些也许还和我们有着更近的亲缘关系。(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Spang, Anja, et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature (2015).

文章题图:ew.com

(责任编辑:泉水)
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