首次发现不需要氧气的动物！挑战人类对进化论和生命的认识

第一次发现不需要氧气的动物！挑战人类对进化和生命的认识有机体。但目前发现的厌氧生物主要是厌氧菌，几乎都是单细胞生物。2010年，研究人员在地中海海底沉积的淤泥中发现了“厌氧多细胞生物”，在当时引起了不小的轰动。

最近出现了比“厌氧多细胞生物”更高等的厌氧生物。

以色列特拉维夫大学动物学家DayanaYahalomi的研究团队首次证实，一种经常出现在鲑鱼肌肉组织中的寄生虫——细胞具有奇特的特性，即在细胞内没有线粒体甚至没有线粒体DNA。全部。这种寄生虫是迄今为止地球上已知的所有厌氧生物中最复杂、最高级的一种。这一结果于2020年2月24日发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上。

那么，什么是细胞呼吸？它与我们肺部进行的呼吸有什么关系和不同之处？原核生物和真核生物的呼吸有什么区别？Cercoidessalmonis的神奇之处在哪里，它与目前发现的厌氧生物有何不同？研究厌氧生物的呼吸作用有何意义和价值？看完本文，你自然会得到这些问题的答案。

在荧光显微镜下，Cercosporasalmoni发出绿色光。资料来源：斯蒂芬·道格拉斯·阿特金森

什么是细胞呼吸？真核呼吸和原核呼吸有什么区别？我们通常所说的呼吸，是指肺部通过胸腹肌肉和骨骼的协调作用，吸入氧气，呼出二氧化碳的过程。这与发生在身体细胞内的呼吸作用在本质上是完全不同的。为了显示差异，在讨论细胞呼吸时，我们通常将肺部的气体交换过程称为呼吸运动。本文所有关于呼吸的讨论（包括有氧呼吸、无氧呼吸等）均指细胞内呼吸，不涉及呼吸运动。

呼吸，又称细胞呼吸（细胞呼吸），是生物体细胞氧化分解有机物并转化能量的化学过程。它本质上是一种酶催化的氧化反应。细胞内完成生命活动所需的能量来自于呼吸作用。虽然叫氧化反应，但不管有没有氧气参与，都可以叫呼吸作用（这是因为在化学中，有电子转移的反应过程都可以叫氧化反应）。有氧参与的呼吸称为有氧呼吸；没有氧气的反应称为无氧呼吸。也就是说，厌氧生物细胞获取能量的过程不需要氧气的参与。

有氧呼吸时的物质和能量流动过程，来源：CellRespiration.svg:RegisFrey

尽管构成地球生物体的细胞千差万别，除了病毒等不具备完整细胞结构的物种，根据它们细胞复杂程度的不同，只分为两种：原核细胞和真核细胞。原核细胞的结构比较简单，由它们组成的生物称为原核生物，细菌是典型的原核生物。绝大多数原核生物都是单细胞生物，体型较小，细胞内没有明确的细胞器，负责呼吸，但它们仍然可以通过呼吸为自己提供能量。

真核细胞的结构比原核细胞复杂得多。它们不仅具有由各种膜结构组成的内膜系统，而且还分化出多种分工不同的细胞器，体积可达原核细胞的1万倍。几乎所有的多细胞生物，包括常见的动植物，都是由真核细胞组成的真核生物。在真核细胞中，线粒体是与呼吸最相关的细胞器，其中进行着呼吸的几个关键步骤。如果把真核细胞比作汽车，那么线粒体所扮演的角色就是发动机，而发动机驱动汽车的过程就是细胞呼吸并为自身提供能量的过程。根据发动机的类型不同，需要添加的燃料（是否添加氧气）也不同，这就是所谓的有氧呼吸和无氧呼吸。

真核细胞和原核细胞的比较，来源：publicdomain

多细胞厌氧菌——一个意外的发现

尾孢是一种常见的海洋寄生虫，发生在大西洋鲑鱼、粉红鲑鱼等鱼类中,和鳟鱼。人类早在19世纪末就观察到了这种寄生虫。虽然属于真核生物，但身体组成却极为简单，只有不到十个细胞。三文鱼感染后，肌肉表面常可见乳白色斑点。已发现受寄生虫感染的鱼对身体无害，尽管它们的外表并不吸引人，因此并未受到特别关注。

C.salmonids寄生鲑鱼形成的白色斑点（包囊），里面长满了微小的蠕虫。来源：MichalMaňas

然而，近日，以色列特拉维夫大学动物学家DayanaYahalomi的研究小组却发现了一个惊人的秘密——Cercericolasalmonis并不含有线粒体DNA（有些DNA位于线粒体中，与细胞核中的DNA不同）！

这到底是什么意思？

我们前面提到线粒体是真核细胞呼吸过程中必不可少的细胞器。以色列科学家最初感兴趣的问题是，寄生虫生存的环境明显缺乏阳气，那么它们是如何进行呼吸的呢？

显然，回答这个问题最直接的方法就是研究它们的线粒体。

但是，当他们试图分析鲑鱼的线粒体DNA以揭示寄生虫如何在鲑鱼肌肉内的低氧条件下呼吸时，他们发现了一些相当不寻常的东西。尽管在寄生虫体内发现了线粒体样器官，但始终无法提取线粒体DNA，这进一步困扰着四面楚歌的团队。

基因序列与进化关系密切的物种进行比对后发现，马尾藻中没有线粒体DNA。此外，更详细的研究表明，它甚至缺乏普通生物体中存在的参与线粒体DNA转录和复制的基因。

目前，科学家们还没有完全了解鲑鱼的生活方式，但真核生物在没有线粒体的情况下无法进行有氧呼吸。研究人员认为，它们有可能通过从宿主鲑鱼身上窃取三磷酸腺苷(ATP)并将其用作自己的能量来源来生存。ATP又称“生物能”，是细胞在呼吸过程中产生的能量载体，在生物体内物质的新陈代谢和合成中起着重要作用。

研究团队在论文中指出：''我们的研究表明，不仅是单细胞真核生物，一些多细胞生物和寄生虫也在进化以适应厌氧环境。''然而，这种进化的原理和动机仍然不清楚。

厌氧菌和好氧菌，来源：DifferenceBetween.co

真核厌氧生物非常少见，但厌氧菌并不少见其实厌氧生物并不少见，作为原核生物的厌氧菌（厌氧菌））是其中之一。关于厌氧菌，目前还没有明确的定义。一般而言，此类细菌在厌氧厌氧条件下比在好氧环境中生长得更好，并且不能在空气（21%氧气）和/或10%二氧化碳浓度的固体培养基表面生长。它们缺乏完整的代谢酶系统，能量代谢是靠无氧呼吸进行的。根据对氧的耐受性，可分为专性厌氧菌、微需氧菌和兼性厌氧菌。

细菌有氧/厌氧模式示意图，来源：умовскийА.Н.

人体正常菌群中也存在大量厌氧菌，它们广泛存在于体表人体皮肤和肠道的深层粘膜。人体环境通常不适合厌氧菌的生长，因此它们不能大量繁殖。但当组织缺血、坏死或需氧菌感染导致局部组织氧浓度降低时，很可能发生厌氧菌感染。可引起破伤风的病原菌：破伤风梭菌是典型的厌氧菌。

近年来，不断有新发现厌氧菌的报道。根据生存环境的不同，这些细菌以各种方式进行呼吸，堪称进化的极致意义。铁离子、锰离子、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、富马酸盐、二甲基亚砜等在它们获取能量的过程中可以代替氧的作用而成为反应物。

关于厌氧生物的起源，一直有不同的说法。一说厌氧生物起源于远古时代。刚刚诞生的地球上没有氧气，是一个适合厌氧菌生存的时代。然而，数十亿年后，空气中的氧气浓度已经达到了21%。关于古代厌氧生物如何进化以及它们如何适应现在的好氧环境，仍然有许多未解之谜。

挑战著名的动物进化论

为了生存需要，寄生虫追求“极简主义”，往往会舍弃一些不重要的器官，比如触觉器官、运动器官、消化器官等。令生物学家疑惑的是，我们现在看到的寄生虫是什么生物？

最近备受关注的Cercocercussalmonis更加坚定地贯彻了极简主义的原则。不仅触觉器官、运动器官、消化器官不复存在，连神经系统都消失了。由于没有任何类型的器官，它的细胞数只有个位数。研究人员认为，''Cercoidessalmonis可能正处于从多细胞生物向单细胞生物进化的过程中，这与众所周知的动物进化论背道而驰。''

可以说，寄生虫的“极简主义”简直就是现实版的“逆向进化”。

重新认识生命之道，进而影响外星生命探索方向

新发现的三文鱼有哪些研究意义？

首先，这一发现动摇了我们对地球上生命如何生存的固有理解。一般的看法是，大约在14.5亿年前，生物体开始进化出利用氧气进行新陈代谢的能力——有氧呼吸。科学家们想象了这样一个场景。相对较大的古菌将较小的古菌吸收到体内，并以某种方式创造了一种对两者都有益的共生关系，最终它们合二为一。从这种共生关系来看，这两个物种一起进化，较小的古细菌最终变成了被称为线粒体的细胞器。

即使在我们的身体中，除了红细胞外，所有细胞中都存在对细胞呼吸过程至关重要的线粒体。线粒体分解氧气产生ATP，然后被多细胞生物用于各种细胞代谢过程。具体来说，当ATP水解时，形成二磷酸腺苷（ADP）并释放出磷酸盐，同时释放能量。这些能量会在细胞中被利用，机体的一切活动，如肌肉收缩产生的运动，神经细胞的活动，都会用到ATP水解时产生的能量。

生物为了在低氧条件下获得更多的生存机会，不断进行适应性进化。如前所述，单细胞原核生物进化出线粒体等相关细胞器并进行无氧代谢的例子屡见不鲜。然而，根本不使用氧气进行新陈代谢的多细胞生物的存在一直存在争议。长期以来，受限于动物必须依靠氧气生存的思想，很少有人考虑在无氧或低氧浓度的行星上寻找复杂生物的可能性。这一发现不仅填补了地球上动物研究的空白，也打破了人类探索地外生命的固化模型。

尽管如此，这种完全不需要氧气的鲑鱼真的来自远古时代吗？还是不断“逆向进化”的结果？这仍然是一个待解之谜，我们期待早日找到答案。

来源：Freepic.com