深海城堡的秘密：人類，你從哪里來(lái)？

有些謎團(tuán)可能永遠(yuǎn)也無(wú)法解開。

撰文 | Amanda Heidt

編譯 | 黃炎

“我從哪里來(lái)？”

“我從哪里來(lái)”，這個(gè)問題和“我是誰(shuí)”“我到哪里去”并列為哲學(xué)上的三大基本問題。自有人類文明以來(lái)，人們從不曾放棄對(duì)自身來(lái)源的探索。千百年來(lái)，無(wú)數(shù)文人墨客、才子佳人為之付出了鮮血與生命——好在這種事情只發(fā)生在蒙昧?xí)r代，現(xiàn)在人們只需要付出時(shí)間和頭發(fā)就可以了。目前，經(jīng)過幾十代人的努力，科學(xué)家們基本把這個(gè)問題解答到了“我們從原始真核生物演化而來(lái)”這一步，但真核細(xì)胞的起源仍然撲朔迷離。所以，現(xiàn)在進(jìn)化學(xué)家們要回答的問題是：

“我們從原始真核細(xì)胞生物而來(lái)，那么原始的真核細(xì)胞又從何而來(lái)呢？”

2022年，來(lái)自巴黎大學(xué)薩克雷分校 (University of Paris-Saclay) 的生物學(xué)家López-García與同事們一起踏上了繼續(xù)探究生命起源的旅程。為此，眾人前往了世界上氣候最為干燥的地方之一——灌木叢生、礫石遍地的南美洲阿塔卡馬沙漠北部的高原地帶。那里不歡迎訪客，但可能擁有關(guān)于復(fù)雜生命起源的線索。群山和沙丘的包圍之下，存活著溫暖而苦咸的小水池。氰基細(xì)菌和古細(xì)菌組成的菌毯，像千層餅一樣，一層又一層——對(duì)于它們而言，那可能是沙漠之中難得的綠洲。López-García將其稱之為“原初之森”，意即早在地球物種大爆發(fā)之前便存在的“復(fù)雜”生態(tài)系統(tǒng)。科學(xué)家們現(xiàn)在用這些微小的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)模擬遠(yuǎn)古的生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的時(shí)間肯定不晚于真核生物首次出現(xiàn)。

菌毯可能模仿了早期地球上產(chǎn)生真核生物的條件。DIVERSITY, ECOLOGY AND EVOLUTION OF MICROBES (DEEM)/PURIFICACIóN LóPEZ-GARCíA

這些菌毯的每一層，都有不同種的微生物相濡以沫。占領(lǐng)了光和氧氣充足的地表的，主要是藍(lán)藻，它們是最早的光合放氧生物。它們的出現(xiàn)使地球的環(huán)境從低氧轉(zhuǎn)向有氧，才有了后來(lái)有氧呼吸的物質(zhì)基礎(chǔ)——讓我們一起說“謝謝藍(lán)藻”。在這里，藍(lán)藻不僅哺育了人類，下層菌毯中，低氧環(huán)境下存在的異養(yǎng)生物以藍(lán)藻的副產(chǎn)物為食。菌毯的更下層墊子又黑又臭，這是缺氧環(huán)境下微生物還原硫酸鹽、生產(chǎn)甲烷的結(jié)果。在這里，大家活得都不容易?；ハ嘁源x廢物為食——大家彼此之間一把屎一把尿把對(duì)方喂大。

這種一把屎一把尿的關(guān)系，科學(xué)上稱之為“互養(yǎng)共棲”或“營(yíng)養(yǎng)共生”。López-García表示，這種臨時(shí)性的互利共生關(guān)系可能隨著時(shí)間的推移逐漸穩(wěn)定下來(lái)，并演化為永久性的關(guān)系——約炮約到白頭偕老，大概就是這種感覺吧。在這種環(huán)境下，不同種微生物的個(gè)體可以彼此嵌套在一起，形成一個(gè)較為穩(wěn)定的主體?？茖W(xué)家們懷疑，這種主體就是早期復(fù)雜真核細(xì)胞的雛形。在漫長(zhǎng)的歷史中，這種最原始的“細(xì)胞”逐漸占據(jù)了主流生態(tài)位，茁壯成長(zhǎng)為穩(wěn)定的真核細(xì)胞，而分工不同的真核細(xì)胞又以類似的方式聯(lián)合起來(lái)，最終變成了如今多種多樣的宏觀生命。這個(gè)過程被稱之為“真核發(fā)生 (eukaryogenesis)”。真核發(fā)生的定義尚有爭(zhēng)議，但一般指10至20億年前細(xì)胞復(fù)雜性激增的演化過程。

這段時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞核、線粒體、細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜、葉綠體等現(xiàn)代真核細(xì)胞的一些標(biāo)志性特征首次亮相。這些特征出現(xiàn)在所有真核細(xì)胞的第一個(gè)和最后一個(gè)共同祖先之間。按照首字母縮寫法，前者被稱為FECA (First Eukaryotic Common Ancestor)，而后者名叫LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor)。但是在此過程中的諸多細(xì)節(jié)仍然懸而未決。最早的真核生物長(zhǎng)什么樣？它們可能與其他生物建立何種關(guān)系？它們的分子機(jī)制是如何運(yùn)作，又如何進(jìn)化？……這些謎團(tuán)有待解開。對(duì)于“在哪個(gè)生命分支中萌芽”“哪些微生物參與者可能對(duì)此做出了貢獻(xiàn)”等重要問題，科學(xué)家們也尚未達(dá)成共識(shí)。

不過，近年來(lái)鑒定出的“阿斯加德古菌 (Asgard archaea) ”再一次激活了關(guān)于真核發(fā)生的討論。這種取名自北歐神話的古細(xì)菌是“現(xiàn)存當(dāng)代真核生物最近的近親”，它為過去的討論提供了證據(jù)，又引入了新的問題。一些研究者認(rèn)為，這是目前生物學(xué)上最令人興奮的發(fā)展?！叭藗儼l(fā)現(xiàn)的是如此之多，而又有如此多的預(yù)言正在被驗(yàn)證”。

北歐神宮阿斯加德現(xiàn)世

2013年，拿到進(jìn)化微生物學(xué)博士學(xué)位的Anja Spang在尋找一個(gè)博后崗位（譯者注：誰(shuí)讓你學(xué)生物，找不到工作了吧？?。Ｋ牟┦慨厴I(yè)課題研究的是一群名為Thaumarchaeota（現(xiàn)已更名為Nitrososphaerota）的古細(xì)菌。（譯者再注：你看這課題，像能找到工作的嗎？?。┰诓┦科陂g，Anja發(fā)現(xiàn)這些古細(xì)菌和一些其他古細(xì)菌的基因組包含了編碼“真核特征蛋白（eukaryotic signature proteins, ESP）”的基因。它們之所以被稱為真核特征蛋白，就是因?yàn)樗麄兪钦婧思?xì)胞內(nèi)的特征性蛋白，也就是說它們不應(yīng)該在古細(xì)菌中出現(xiàn)——但它們就是出現(xiàn)了。帶著這一疑問，Anja Spang加入了瑞典烏普薩拉大學(xué)（Uppsala University）的Thijs Ettema教授課題組，開始了他的深海探秘之旅。（譯者本人本科即畢業(yè)于瑞典烏普薩拉大學(xué)，看到此段時(shí)表示：吃瓜吃到自己家.jpg。）

大西洋中部的洛基城堡（Loki's Castle），由五個(gè)活躍的熱泉噴口組成。（Image Credit: Centre for Geobiology BY R.B. Pedersen）

在挪威和格陵蘭之間的北大西洋海面下2300多米處，有一堆被稱為“洛基城堡”的海底沉積物，Ettema課題組打算從中提取出基因組。最開始的樣本是體積不到一茶勺的海底泥，但是在分析過程中，用來(lái)注釋和分析遺傳物質(zhì)的軟件返回了奇怪的結(jié)果——這其實(shí)也還好，科研經(jīng)驗(yàn)表明，意料之外而不盡如人意的結(jié)果好就好在它大概率是真的。軟件標(biāo)記了編碼肌動(dòng)蛋白 (actin) 的基因的同源基因。肌動(dòng)蛋白在真核細(xì)胞中用來(lái)維持細(xì)胞形態(tài)，是一種典型的真核特征蛋白，它顯然不該在古細(xì)菌中出現(xiàn)。所以軟件標(biāo)記的同源基因來(lái)自一個(gè)新的類群。

2015年，Ettema團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)文，將這一基因命名為L(zhǎng)okiarchaeota，其中的“Loki”即致敬北歐神話中的洛基。隨后幾年中，該團(tuán)隊(duì)逐漸充實(shí)了這一類群，并將其命名為“阿斯加德超系（Asgard superphylum）”，除了洛基之外，還包括以雷神、奧丁、海姆達(dá)爾等北歐諸神命名的類群——這些神都住在阿斯加德神宮，一家人最要緊系齊齊整整的啦。

此后，研究人員在上述“一家人”中發(fā)現(xiàn)了其他真核特征蛋白，比如參與了從泛素信號(hào)傳導(dǎo)到配子融合等各個(gè)生理過程的蛋白質(zhì)的同源物。真核特征蛋白在這一家子中非常普遍，說明這些微生物可能是與現(xiàn)代真核生物最接近的現(xiàn)存原核生物。并且現(xiàn)代真核生物很可能從古細(xì)菌那里繼承了其分子運(yùn)作機(jī)制。傳統(tǒng)意義上，人們認(rèn)為現(xiàn)在的真核生物是古代細(xì)菌或所謂“原-真核生物”進(jìn)化而來(lái)。但現(xiàn)在這種看法快要被顛覆了。大多數(shù)科學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，現(xiàn)存的真核細(xì)胞的共同鼻祖是阿斯加德超系的祖先，或另一群類似的古核生物（古細(xì)菌）。

2019年，研究人員首次成功培養(yǎng)了阿斯加德超系的生物，從此能夠更深入地研究這家人。他們發(fā)現(xiàn)，有一種培養(yǎng)物種個(gè)體小、長(zhǎng)勢(shì)緩慢，每?jī)傻饺懿欧至岩淮?；而另一些微生物可以在短短幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)翻倍。他們將前者命名為 “Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum”（顯然這個(gè)名字來(lái)源于普羅米修斯），而Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum和另一群名叫 “Methanogenium”的古細(xì)菌緊密共生。前者通過消化氨基酸和肽獲取氮和能量，此過程中產(chǎn)生氫氣，氫氣又被后者所吸收利用。這一過程可以減少微環(huán)境中的氫含量，從而緩解細(xì)胞壓力。研究阿斯加德超系的科學(xué)家認(rèn)為，這種共生關(guān)系可能是真核發(fā)生的一個(gè)模型。

研究人員于 2015 年從宏基因組數(shù)據(jù)中首次鑒定出阿斯加德古菌，它被認(rèn)為是與現(xiàn)代真核生物最接近的現(xiàn)存原核生物。幾年后，第一個(gè)阿斯加德古菌Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum被培養(yǎng)出來(lái)，揭示了其生物學(xué)的獨(dú)特方面。HIROYUKI IMACHI, MASARU K. NOBU, AND JAMSTEC

Anja Spang表示，在其他古細(xì)菌的基因?qū)用嬉矙z測(cè)到了這一共生關(guān)系，但是Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum和Methanogenium的關(guān)系為此提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。多年以后，已經(jīng)成功上岸并在荷蘭皇家海洋研究所 (Royal Netherlands Institute for Sea Research) 建立了自己課題組的Anja回憶說：“當(dāng)我第一次得知描述這種生物及其營(yíng)養(yǎng)共生關(guān)系的論文終于能發(fā)表時(shí)，我打心眼兒里高興。這證明了此類試驗(yàn)工作對(duì)于阿斯加德超系的代謝預(yù)測(cè)是有意義的?！?/p>

眾說紛紜的真核發(fā)生假說

這些早期的觀察結(jié)果引來(lái)了大量的研究——和灌水。在隨后的幾年里，bioRxiv上涌現(xiàn)出數(shù)百篇有關(guān)阿斯加德超系和真核發(fā)生的論文預(yù)印本。

前述發(fā)現(xiàn)最直接的影響是將真核生物和古細(xì)菌劃入了同一個(gè)域，從而將真核生物、原核生物和古細(xì)菌組成的三域生命樹模型縮減為了雙域模型。（譯者注：“域”是生物分類學(xué)中的最大單位，一個(gè)域下設(shè)有若干個(gè)界，隨后即是熟悉的門綱目科屬種；例如人類即屬于真核生物域、動(dòng)物界、脊索動(dòng)物門、哺乳綱、靈長(zhǎng)目、人科、人屬、智人種……）

曾經(jīng)人們認(rèn)為細(xì)菌和古菌都是原核生物，但計(jì)劃生物學(xué)的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌和其他原核生物的區(qū)別越來(lái)越大，于是把古細(xì)菌獨(dú)立出來(lái)歸為古核生物。

在傳統(tǒng)的三域模型中，真核生物和古細(xì)菌雖然有共同先祖，但卻屬于不同的分支。近年來(lái)系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域的研究表明，復(fù)雜的真核細(xì)胞來(lái)源于古細(xì)菌。這使得真核生物和古細(xì)菌可以被劃分為同一個(gè)域。在阿斯加德超系被發(fā)現(xiàn)之前，人們就已經(jīng)在爭(zhēng)論雙域系統(tǒng)，但阿斯加德超系為其提供了更多的證據(jù)。雙域假說也支持真核生物來(lái)自古細(xì)菌，而不是所謂的‘原-真核生物’”這一理論。

01 先有細(xì)胞還是先有線粒體？

許多科學(xué)家都相信，第一批真核生物是從古細(xì)菌和細(xì)菌之間的合作中進(jìn)化而來(lái)的。在這一過程中，細(xì)菌以某種方式進(jìn)入古細(xì)菌內(nèi)部，并成為了細(xì)胞核、線粒體等細(xì)胞器——這是真核生物的決定性標(biāo)志。此過程中的細(xì)節(jié)仍然模糊不清，但線索最有可能來(lái)自于線粒體?！熬€粒體中存在DNA，這些DNA最早可以追溯到α-變形菌 (alphaproteobacteria)。”法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（France’s National Centre for Scientific Research, CNRS）的進(jìn)化微生物學(xué)家Laura Eme表示，“即便我們不知道這一過程的確切路線，但這已經(jīng)算是實(shí)錘了。”

α-變形菌是變形菌門（Proteobacteria）下的一個(gè)綱。其內(nèi)部差異極大，相似之處極少，俗稱“散裝綱”。α-變形菌大多都呈革蘭氏陰性，典型成員有根瘤菌等植物共生菌、沃爾巴克氏體等內(nèi)共生細(xì)菌，以及立克次體等胞內(nèi)寄生菌。有人認(rèn)為α-變形菌處在轉(zhuǎn)化為細(xì)胞器的路上，而目前的細(xì)胞器則是已經(jīng)上了岸、在胞內(nèi)有了“編制”的α-變形菌。

八卦即使有了實(shí)錘，吃瓜群眾也要扒一扒細(xì)節(jié)——科學(xué)家也一樣。關(guān)于α-變形菌在細(xì)胞內(nèi)“考編上岸”的這一過程，一直存在著不同甚至彼此對(duì)立的假說。α-變形菌是怎么進(jìn)入細(xì)胞里的？科學(xué)家們咂摸了半天，也沒搞明白：胞吞過程需要消耗巨大的能量，對(duì)于這么一種堪稱奢侈的生理功能，究竟是先有了線粒體為這一過程供能，細(xì)胞才演化出胞吞功能，還是先有了胞吞功能，才能把線粒體吞進(jìn)細(xì)胞內(nèi)？所以科學(xué)家們分成 “先有線粒體”和“先有胞吞”兩派，在學(xué)術(shù)期刊上展開了唇槍舌劍。無(wú)論如何，長(zhǎng)久以來(lái)在原核生物身上是沒有觀察到胞吞這一功能的。

直到最近，研究人員在一種細(xì)菌身上發(fā)現(xiàn)了一種“類胞吞作用”。Laura Eme對(duì)此評(píng)價(jià)道：“很多人覺得從前原核生物不能胞吞，所以線粒體的祖宗不可能是被吞進(jìn)細(xì)胞的。但是現(xiàn)在，至少我們知道原核生物可以胞吞了。”

生物和化學(xué)這種學(xué)科折磨人的地方就在這里——和數(shù)學(xué)、物理等簡(jiǎn)潔明快的公式化學(xué)科不同，化學(xué)和生物總是充滿了例外。打個(gè)比方說，數(shù)學(xué)和物理對(duì)于“北京人”的描述可能是“身份證號(hào)110開頭的是北京人”，不管這個(gè)說法對(duì)不對(duì)，好歹有一個(gè)明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。而化學(xué)和生物的說法則更接近于“愛喝豆汁兒的人是北京人，但是我們發(fā)現(xiàn)了有些人確實(shí)在北京出生卻不愛喝豆汁兒，所以我們將其定義為‘廣義的北京人’，而將傳統(tǒng)上定義的北京人稱為‘經(jīng)典北京人’；現(xiàn)在我們有了‘超北京人域’，其下可以分為‘經(jīng)典北京人’和‘非經(jīng)典北京人的廣義北京人’兩界；隨后我們又發(fā)現(xiàn)了一些人也愛喝豆汁兒但卻不是北京人，所以我們將其稱之為‘?dāng)M北京人’……”

此外，對(duì)阿斯加德超系的初步觀察還發(fā)現(xiàn)了一種另外的吞噬機(jī)制。當(dāng)科學(xué)家第一次培養(yǎng)Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum時(shí)，他們注意到了胞體表面的一些細(xì)長(zhǎng)突出部——被稱之為“泡”的膜結(jié)構(gòu)的延伸。在上文所述的肌動(dòng)蛋白同源物的協(xié)助下，這些氣泡可能能夠包圍一個(gè)外部實(shí)體并融合在一起，從而將外物包在里面。如此一來(lái)，有關(guān)吞噬作用的難題“越來(lái)越不是事兒了”。也就是說，α-變形菌很有可能是被“吞”進(jìn)原核生物里變成線粒體的。

02 細(xì)胞核是怎么出現(xiàn)的？

但是，當(dāng)談到細(xì)胞核時(shí)，事情就不那么清楚了。一般認(rèn)為，真核生物有別于原核生物的最典型特征是“有細(xì)胞核”。而有關(guān)細(xì)胞核生成的猜想范圍很廣，從“變形蟲體內(nèi)寄宿的細(xì)菌”到“遠(yuǎn)古巨型病毒的殘留”，不一而足。上世紀(jì)90年代，López-García針對(duì)真核生物的起源提出了“營(yíng)養(yǎng)共生假說”，假設(shè)兩種細(xì)菌與一種古細(xì)菌之間存在共生關(guān)系。

阿斯加德超系被發(fā)現(xiàn)后，López-García和她的同事幾年前更新了這一假說。他們并未將古細(xì)菌作為原始宿主，而是提出了一個(gè)“始祖菌”的概念。在他們的假說中，“始祖菌”是一種與阿斯加德超系中生物類似的、能夠產(chǎn)生氫氣的古細(xì)菌，也是最初的細(xì)胞核。而接受這樣一顆“細(xì)胞核”的宿主大概率是一類δ-變形菌，也即線粒體和α-變形菌的祖宗。現(xiàn)代真核生物中的大多數(shù)基因?qū)嶋H上源自細(xì)菌，而不是古細(xì)菌；組成真核細(xì)胞細(xì)胞膜的脂質(zhì)在結(jié)構(gòu)和成分上更接近于細(xì)菌而非古細(xì)菌（這一現(xiàn)象稱為“脂質(zhì)分離”（lipid divide））——這些事實(shí)都能支持他們的假說。而他們的假說也是迄今為止唯一一個(gè)既能解釋細(xì)胞核的起源，又能解釋脂質(zhì)分離現(xiàn)象的假說。

Michelle Leger是巴塞羅那進(jìn)化生物學(xué)研究所 (Institute of Evolutionary Biology in Barcelona) 進(jìn)化微生物學(xué)領(lǐng)域的一位博士后，他的主要工作是對(duì)現(xiàn)存古細(xì)菌基因組進(jìn)行溯源，用以支持或反對(duì)目前的各類假說。對(duì)于López-García等人提出的“營(yíng)養(yǎng)共生假說”，Leger表示，線粒體中有清晰的α-變形菌的基因組信號(hào)，但他還沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中有δ-變形菌的類似信號(hào)。

Leger也認(rèn)為目前的證據(jù)確實(shí)支持“細(xì)胞核的起源是古細(xì)菌”這一論斷。雖然古細(xì)菌的基因只在現(xiàn)在的核基因組中占一小部分，但是這些基因很多都高度保守，例如負(fù)責(zé)DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的基因很大程度上來(lái)自于古細(xì)菌。因此，Leger相信“這些假說是有意義的，只是我們至今尚不清楚還有哪些生命體參與了這些進(jìn)化過程?！?/p>

解讀真核發(fā)生的新途徑

很多科研人員表示，縱然已測(cè)序到的細(xì)菌和古細(xì)菌物種數(shù)正在飛速增加，為厘清此類生物與早期真核發(fā)生的關(guān)系提供了新的線索，但令人遺憾的是，此領(lǐng)域的很多問題可能永遠(yuǎn)不能得到完美的解答了。

真核生物已經(jīng)出現(xiàn)了太久太久，太多的基因在太多的物種之間交換、傳遞。科學(xué)家不可能將所有東西拼湊在一起，但他們依然在嘗試。目前學(xué)術(shù)界廣為采用的研究方法包括組學(xué)、分子生物學(xué)、化石研究等。

下一個(gè)灌水的好地方將會(huì)是現(xiàn)代真核生物基因組和蛋白質(zhì)組的功能研究。研究了功能，就可以提示單個(gè)基因和蛋白質(zhì)在早期祖先中的行為。幾年前，只有一個(gè)阿斯加德超系基因組，但現(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)百個(gè)這樣的群體，研究人員正在發(fā)掘它們的細(xì)節(jié)?！艾F(xiàn)在我們清楚地知道真核生物中的哪些基因是從阿斯加德古細(xì)菌那里遺傳的，這里有很多新奇的東西，”Laura Eme說，“但我們不知道的是，這些基因曾經(jīng)在阿斯加德超系中做了什么，又正在做什么——這也正是關(guān)竅所在。

還記得前面提到的，古菌中有編碼真核肌動(dòng)蛋白基因的疑似同源基因嗎？2020年，研究人員合成了阿斯加德超系基因組中的這類同源基因。他們將這些同源物注射到兔細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)它們可以與真核肌動(dòng)蛋白結(jié)合并執(zhí)行類似的功能，例如輔助鈣離子跨膜。這說明，在真核生物出現(xiàn)之前，鈣控制的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架可能就存在于古細(xì)菌中。

除了培養(yǎng)古菌來(lái)研究功能，還有人直接研究“小微化石”。所謂小微化石，就是巖石中早期細(xì)胞的顯微印跡。加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校 (University of California, Santa Barbara) 的古生物學(xué)家Susannah Porter就認(rèn)為化石研究同樣可能揭示真核發(fā)生的途徑。她說，當(dāng)宏基因組測(cè)序出現(xiàn)時(shí)，化石似乎失寵了，但許多系統(tǒng)發(fā)育樹依賴于一種叫做“分子鐘”（molecular clock）的方法，即，用化石來(lái)錨定分析時(shí)間。此外，化石本身可能也有用處，它們能夠幫助科學(xué)家確定某些外部特征在何時(shí)首次出現(xiàn)。而Porter正在研究的標(biāo)本就可以確定早期真核生物進(jìn)化過程中一些事件的發(fā)生順序?！拔覀兇_實(shí)收藏有過去20億到10億年的化石，它們并沒被物盡其用。也許我們可以利用化石的這些特征來(lái)拼湊真核細(xì)胞的成因?！笨傊壳皝?lái)看，雖然基因組學(xué)和分子生物學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一定高度，但傳統(tǒng)的化石證據(jù)依然在微生物進(jìn)化學(xué)和真核發(fā)生領(lǐng)域的研究起著重要的作用。

7.5億年歷史的微化石 Valeria lophostriata

COURTESY OF SUSSANAH PORTER

為了避免“孤證不立”，科學(xué)家們也在尋找別的證據(jù)，用來(lái)為化石證據(jù)提供佐證。例如，荷蘭烏得勒支大學(xué) (Utrecht University) 的計(jì)算生物學(xué)家Berend Snel最近使用了一種名叫“基因重復(fù)段落”的方法進(jìn)行研究。這種方法假設(shè)系統(tǒng)發(fā)育樹（phylogenetic tree）上的各個(gè)分支的長(zhǎng)度與其發(fā)育時(shí)間相關(guān)。然而這一方法備受爭(zhēng)議，以至于Snel本人都不得不承認(rèn)其可能存在缺陷。但Snel也表示，進(jìn)化是一個(gè)連續(xù)的過程，當(dāng)且僅當(dāng)人們將這一漫長(zhǎng)過程中的一個(gè)個(gè)小片段連綴起來(lái)之后，真實(shí)而完整的進(jìn)化圖譜才會(huì)展示在人們面前。

Michelle Leger也同意的一點(diǎn)是，現(xiàn)階段人類對(duì)真核發(fā)生的理解還如同嬰兒對(duì)世界的理解一般。“這些深層進(jìn)化問題的部分性質(zhì)是，我們永遠(yuǎn)不會(huì)知道，也永遠(yuǎn)不會(huì)有一個(gè)明確的證據(jù)來(lái)證明我們的假設(shè)，但這并不妨礙我們繼續(xù)完善我們的想法。

另類假說：病毒才是祖先

關(guān)于細(xì)胞核起源的很多內(nèi)容都是推測(cè)性的。有一種假說認(rèn)為，現(xiàn)代真核生物的細(xì)胞核可能來(lái)自原核宿主和病毒之間的合作關(guān)系。

在21世紀(jì)之初，日本名古屋大學(xué)醫(yī)學(xué)院 (Nagoya University School of Medicine in Japan) 的分子生物學(xué)家Masaharu Takemura注意到，一組病毒（痘病毒）的DNA聚合酶與真核生物中發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶非常相似，并且痘病毒通過創(chuàng)建“獨(dú)立隔間”在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制。與此同時(shí)，生物技術(shù)公司MicroBioGen的研發(fā)主管Philip Bell同樣對(duì)真核生物和細(xì)菌之間的差異感到困惑。例如，真核染色體是線性的，而細(xì)菌染色體是環(huán)形的。細(xì)胞核的許多特征并不支持細(xì)菌起源。這兩名研究人員都在2001年前后腳發(fā)表了各自的論文。并且這兩個(gè)課題組在得知阿斯加德超系及其研究成果之后，都更新了自己的病毒起源假說。

此后，研究人員鑒定出了2003年首次發(fā)現(xiàn)的巨型病毒，這些病毒比大多數(shù)病毒大得多，具有足夠大的基因組，且組內(nèi)有與各種代謝過程相關(guān)的基因。現(xiàn)在，Masaharu Takemura、Philip Bell等人認(rèn)為這種巨型病毒可能是最初的細(xì)胞核。巨型病毒在復(fù)雜的隔室中復(fù)制，這些隔室看起來(lái)與現(xiàn)代細(xì)胞核非常相似。它們都很大，也都包含內(nèi)膜和外膜，并且還都攜帶了編碼宿主細(xì)胞運(yùn)行所需的蛋白質(zhì)的基因。

然而，“細(xì)胞核可能來(lái)自一種病毒”的觀點(diǎn)一直很難推銷出去。它缺乏結(jié)構(gòu)性證據(jù)，也缺乏現(xiàn)有數(shù)據(jù)的支持。不過，研究早期原核生物代謝的微生物學(xué)家Valerie De Anda并沒有因?yàn)椤安《炯僬f”目前缺乏證據(jù)支持而被嚇退。她和她的同事們目前正在尋找參與轉(zhuǎn)錄和翻譯的mRNA封端基因。他們認(rèn)為這些基因來(lái)自很久以前的“第一個(gè)真核生物細(xì)胞核的祖先”。

當(dāng)談到自己的理論不被科學(xué)界所普遍承認(rèn)時(shí)，Valerie De Anda不免有些懊惱。這使她不由得想起了自己上學(xué)的時(shí)候老師教過的一首中國(guó)的古詩(shī)：

自小刺頭深草里，

而今漸覺出蓬蒿；

時(shí)人不識(shí)凌云木，

直待凌云始道高。

參考文獻(xiàn)

[1] Shiratori, T., Suzuki, S., Kakizawa, Y. et al. Phagocytosis-like cell engulfment by a planctomycete bacterium. Nat Commun 10, 5529 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13499-2

[2] Martin William F., Garg Sriram and Zimorski Verena (2015) Endosymbiotic theories for eukaryote originPhil. Trans. R. Soc. B3702014033020140330 http://doi.org/10.1098/rstb.2014.0330

[3] Moreira, D., López-García, P. Symbiosis Between Methanogenic Archaea and δ-Proteobacteria as the Origin of Eukaryotes: The Syntrophic Hypothesis. J Mol Evol 47, 517–530 (1998). https://doi.org/10.1007/PL00006408

[4] Caforio, Antonella et al. “Converting Escherichia coli into an archaebacterium with a hybrid heterochiral membrane.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 115,14 (2018): 3704-3709. doi:10.1073/pnas.1721604115

[5] Vosseberg, J., van Hooff, J.J.E., Marcet-Houben, M. et al. Timing the origin of eukaryotic cellular complexity with ancient duplications. Nat Ecol Evol 5, 92–100 (2021). https://doi.org/10.1038/s41559-020-01320-z

[6] Chaikeeratisak, Vorrapon et al. “Assembly of a nucleus-like structure during viral replication in bacteria.” Science (New York, N.Y.) vol. 355,6321 (2017): 194-197. doi:10.1126/science.aal2130

[7] Mills, Daniel B et al. “Eukaryogenesis and oxygen in Earth history.” Nature ecology & evolution vol. 6,5 (2022): 520-532. doi:10.1038/s41559-022-01733-y

本文經(jīng)授權(quán)編譯自：
https://www.the-scientist.com/features/the-long-and-winding-road-to-eukaryotic-cells-70556?_ga=2.200353838.1403010427.1666753497-1684915652.1666340439

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