海底古菌带来真核生物起源新线索

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

如果把地球生命比作一棵不断分叉的大树，真核生物无疑是其中重要的一支。植物、动物和真菌都属于真核生物，它们的细胞拥有细胞核、线粒体等复杂结构。这样的细胞究竟是怎样出现的，一直是生命科学领域的重要问题。

据英国《自然》网站报道，近年来，一类名为阿斯加德古菌的微生物成为研究这一问题的关键。它们生活在海洋沉积物等环境中，个体微小，生长缓慢，却拥有不少与真核生物相似的基因。科学家据此提出，真核生物的祖先可能来自与阿斯加德古菌相近的古菌。

过去，人们主要通过环境样本中的DNA认识这些微生物。如今，科学家已经陆续培养出多种阿斯加德古菌，开始直接观察它们的细胞。显微镜下出现的一些结构，让人们对复杂生命诞生的过程有了新的认识。

从DNA里发现的古菌线索

2015年，科学家在北大西洋海底沉积物中发现了阿斯加德古菌。这个名字来自北欧神话中的阿斯加德，因为最初发现它们的地点与“洛基城堡”热液喷口有关。当时，他们并没有直接把这种微生物分离出来，而是通过环境DNA测序获得了相关遗传信息。此后，科学家又在世界各地发现了数百种阿斯加德古菌。

基因组分析很快带来了重要线索。阿斯加德古菌拥有许多过去被认为是真核生物特有的蛋白质编码基因，这些蛋白质与细胞骨架、细胞膜以及细胞内部物质运输等过程有关。由此，科学家推测，阿斯加德古菌可能与真核生物的祖先存在密切关系。

但基因组只能告诉科学家这些古菌拥有哪些基因，却无法直接说明这些基因在细胞中如何发挥作用。要弄清这一点，还得把它们真正培养出来，观察它们的细胞结构和活动。

于是，培养阿斯加德古菌成了科学家面对的一道难题。

养一株古菌要等上几年

与实验室常见的大肠杆菌相比，阿斯加德古菌很难培养。它们数量少、生长慢，而且对氧气十分敏感。有些种类还需要与其他微生物共同生存。研究人员往往要不断调整温度、营养条件和培养环境，经过数月甚至数年，才能获得比较稳定的古菌。

直到2020年，日本研究人员花了12年时间，才将一种阿斯加德古菌培养出来。随后，奥地利、澳大利亚等地的研究团队也陆续获得了新的古菌种。

以前，科学家只能从DNA序列推测阿斯加德古菌可能拥有怎样的细胞结构。现在，他们终于能够把这些细胞放在显微镜下仔细观察。

在显微镜中最醒目的结构，是从细胞表面伸出的细长突起：有的像触手，有的像鹿角，几乎在已培养出来的多种阿斯加德古菌中都能看到。起初，研究人员曾怀疑这些突起是实验污染或观察产生的假象，但更多培养菌都出现了类似结构。进一步研究发现，一些阿斯加德古菌能利用这些突起改变细胞形态并移动，突起还可与产甲烷古菌等伙伴发生接触。这些发现让科学家把目光投向了真核生物起源过程中最关键的一场“合作”。

古菌突起或参与线粒体起源

目前较为普遍的观点认为，大约20亿年前，一个古老的古菌与一种细菌建立了内共生关系。细菌没有被宿主消化掉，反而长期生活在古菌细胞内部，最终演化成线粒体。

线粒体能通过有氧呼吸为细胞提供大量能量，这被认为是后来复杂真核生物出现的重要条件。但两个原本独立生活的微生物为什么会建立这种关系，仍然是一个谜。

阿斯加德古菌的细胞突起提供了新的线索。部分研究显示，这些突起能与其他微生物发生接触，有的甚至能帮助阿斯加德古菌固定共生伙伴。一种“由内向外”模型提出，古菌祖先可能先利用细胞突起与其他微生物建立密切联系，随后逐渐形成更加稳定的共生关系。

科学家还在一些培养的阿斯加德古菌中观察到了膜性区室，有的区室内部甚至还有更小的区室。这些结构与真核细胞内部复杂的膜系统存在相似之处。

这些发现提示，真核细胞的复杂性可能并非突然出现，一些基础结构，也许早已存在于真核生物祖先的古菌近亲中。

不过，目前的证据还不足以完整还原真核生物诞生的过程。不同阿斯加德古菌之间存在差异，现有培养菌数量也十分有限。

等待更多细胞被培养出来

阿斯加德古菌研究目前最大的限制，仍然是培养出来的种类太少。通过环境DNA，科学家已经发现了数百种阿斯加德古菌，但真正进入实验室、能长期培养的只有很少一部分。那些尚未培养出来的种类，或许还藏着其他重要特征。

培养本身也是一场耐心的考验。有研究人员用了193天，才让一种培养菌稳定到可转移到新的培养基中。即便成功培养，在不同实验室之间复制也并不容易，温度、营养条件等细微变化都可能影响培养结果。

因此，科学家正在推动培养菌共享，希望让更多实验室研究相同的菌株。只有获得更多稳定培养菌，才能进一步研究阿斯加德古菌的细胞结构、代谢方式以及与其他微生物的关系。

古菌作为宿主是否能利用氧气、细胞内部的膜性结构何时形成、那些突起究竟承担什么功能，以及线粒体祖先如何与古菌建立关系，仍等待更多证据。

阿斯加德古菌的特别之处在于，它们今天依然生活在地球上。科学家可以培养观察它们，研究它们的基因和细胞结构。那些过去只能存在于DNA序列中的线索，如今正在真实细胞中得到检验。随着更多阿斯加德古菌被培养出来，复杂生命诞生的那段遥远历史，或许会变得更加清晰。