1977年,美国生物学家卡尔·乌斯向学界宣布,他意外撞见了一种此前从未被认识的生命形式。
彼时的他正在尝试一种全新的研究路径——不再去比较生物体外形上的异同,而是直接比对特定的遗传序列,用分子层面的差异来反推生命之间的亲缘关系。
那一天,他正在分析一批产甲烷微生物的遗传序列,眼前的数据让他愣住了。这些微生物从显微镜下看,就是普通得不能再普通的"细菌"模样,可它们的遗传序列却与真正的细菌差异巨大。
差异之悬殊,让他立刻意识到:这不可能是细菌的近亲,它们一定代表着生命演化树上一个极为古老的分支,早在数十亿年前就已与其他生命分道扬镳,并以不动声色的方式隐藏至今。
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十三年后的1990年,乌斯根据累积的证据重新绘制了生命之树。他提出,原核生物——那些没有细胞核的单细胞生物——不应被视为单一群体,而应该被拆分为两个彼此独立的域:一个仍叫细菌,另一个则是全新的域,叫作古菌,其名字字面意思就是"古老的生命"。
再加上我们所隶属的真核生物域,由此拼合出沿用至今的"三域系统"。
按照这套系统,地球上凡是活着的生命,都必然归入这三类之一:真核生物、细菌,或古菌。
一个崭新生命域的横空出世,本身就足以让整个生物学界震动,哪怕这些古菌从外表上看与细菌几乎无法区分。真正把惊喜推向顶点的,是近几十年来科学家对古菌与我们之间关系的重新审视。那种若隐若现的联系,甚至可能迫使我们再一次推倒生命之树重画。
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说来令人意外,尽管古菌独占整整一个生命域,但它们长期以来一直是科学家与大众共同的盲点。
被发现之初相当长的一段时间里,人们只知道它们栖息在一些非常特殊、往往极为严酷的环境中——缺氧的深海沉积物、沸腾且强酸的热液喷口、超高盐度的卤水池——这些条件在实验室里几乎无法重现。
微生物研究本身在公众视野里就处于边缘,考虑到它们惊人的多样性与丰富度,以及在整部生命史中无可替代的分量,这种忽视其实很不公平。多数人只在生病或喝啤酒时才会想起微生物的存在,而古菌,几乎可以说是盲点中的盲点。
但凭借对少数可人工培养物种的研究,以及对无法培养物种的分子遗存进行解析,科学家还是一点一点拼出了古菌的轮廓。
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和细菌一样,它们是单细胞生物,没有细胞核,也没有其他膜包被的细胞器;它们通过"二分裂"这种无性生殖方式繁殖,一个细胞直接裂为两个子细胞。
它们通常也拥有保护性的细胞壁,以及用于运动的螺旋状鞭毛。
单看这些特征,古菌和细菌确实像极了一对双胞胎。然而深入到分子层面,差别就暴露了出来。古菌细胞壁的化学组成与细菌不同,细胞膜的脂质连接方式独树一帜,用来复制与翻译遗传信息的那套酶系统,在许多关键环节上反倒更接近真核生物,而非它们外形上的"孪生兄弟"细菌。
换句话说,古菌穿着细菌的外衣,骨子里却与我们这些复杂生命有着说不清道不明的血缘回响。
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大约二十亿年前的某个时刻,一个古老的细胞吞下了一个细菌,但没有将它消化,而是让这个"客人"住了下来,彼此共生。
被吞噬的细菌后来演化为能够高效产能的线粒体,正是这一关键事件,推动了复杂真核生物的崛起;时至今日,线粒体仍存在于我们每一个真核细胞之中,像一枚远古契约的印章。
那么,当年完成这次历史性吞噬的祖先细胞,会不会本身就是一种古菌?真核生物会不会就是在一次古菌与细菌的融合中诞生的?我们会不会其实只是古菌家谱上一枚被反复嫁接的枝条?如果能确认祖先究竟属于哪一支古菌,这些困扰了几代科学家的问题,或许就能迎刃而解。
关键在于:必须找到一群与真核生物血缘特别近的、仍活在今天的古菌。
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2015年,一支研究团队宣布他们找到了,采样地点选在格陵兰与挪威之间大约中段位置的北大西洋深海,那里有一处被命名为"洛基城堡"的海底热液喷口。
研究者从喷口附近的沉积物里一点点抽取、测序,拼接出一个完整度高达92%的全新古菌基因组。他们给这个新类群取名为"洛基古菌门"。
洛基古菌只是故事的开端。此后数年间,这个独特类群的其他成员陆续在世界各地被发现,命名也延续了北欧神话的风格——奥丁古菌、索尔古菌、海姆达尔古菌等一众"神祇"相继登场。
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整个类群被统称为"阿斯加德古菌",这个名字取自北欧神话中众神居住的那片圣域。
当研究者把阿斯加德古菌的基因组逐一与其他古菌、真核生物进行比对时,结果几乎一边倒:真核生物在古菌中血缘最近的现存亲戚,就是阿斯加德古菌。
某些更深入的分析甚至直接得出结论——真核生物就是从阿斯加德这一类群内部演化而来的。
更令人惊讶的是,这些阿斯加德古菌的基因组中,还藏着一长串原本被认为是真核生物"专属"的蛋白质编码信息。
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细胞骨架相关蛋白、膜运输蛋白、与吞噬作用相关的调控因子,这些曾经被视为复杂生命独家配置的分子工具,居然在一群生活于海底淤泥中的微生物身上找到了雏形。
它们像是把一个"复杂生命工具箱"的半成品,提前几十亿年摆在了演化的流水线上。
不过,这里也有一个始终困扰科学界的问题:如果阿斯加德古菌真的是我们如此关键的远祖,为什么它们至今只能在完全缺氧的深海热液喷口、海底沉积物等极端环境里被发现?
目前关于它们"类真核特征"的大多数证据,其实来自基因组分析和蛋白质结构预测,而不是对活体细胞的直接生理观测。活体培养极为困难,世界上成功培养出阿斯加德古菌的实验室屈指可数,每一次成功都需要耗费数年时间。
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对此,丹麦奥胡斯大学微生物学助理教授布拉克·阿夫奇曾打过一个耐人寻味的比方:研究者所面对的,是数十亿年前那次远古事件留下的现代"代言人"。
漫长的演化之河冲刷过这些微生物无数次,今天的阿斯加德古菌早已不是当年那位祖先的翻版,它们只是提供线索的"遥远后裔"。
想通过它们直接还原出二十亿年前那一刻究竟发生了什么,难度可想而知。
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这些类似真核生物的阿斯加德古菌,是解开真核生物起源之谜的又一枚关键线索。
它们的存在为"真核生物起源于古菌"这一假说提供了迄今最有力的支撑,也在古菌与真核生物之间填补了那条此前几乎无法跨越的鸿沟。
一些研究者进一步主张,我们的祖先可以追溯到阿斯加德古菌家谱里某个具体分支,而不仅仅是模糊的"某种古菌"。
当然,相关争论远未尘埃落定。随着对古菌了解的持续深入,新的线索还在不断涌现,有的指向更简单的融合图景,有的则暗示过程可能比想象的还要曲折。
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但假如最终的证据链真的指向这样一幅图景——我们的祖先是某种古老的阿斯加德或与阿斯加德亲缘相关的古菌,它在某个瞬间吞下了一个细菌,获得了线粒体,并由此点燃了所有真核生命的火种——那就意味着,当年卡尔·乌斯既对又错。
他把古菌从细菌中剥离出来,这一刀切得精准无比;但他的三域系统,或许错在把古菌与真核生物划成了两个彼此独立的域。
如果这一切为真,那么生命之树归根到底或许只需两个域就能画完:一边是细菌,另一边则是包括了古菌与我们在内的"大家庭"。
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