20亿年前，高等生命从“触角”菌中起步

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20亿年前，高等生命从“触角”菌中起步是怎么回事，是真的吗？2019年08月20日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                20亿年前，高等生命从“触角”菌中起步
                               
                                真核细胞大概在20亿年前出现在地球上，但我们一直并不清楚它从哪里演化而来。
                               
                               


古生菌就生存在海底火山附近的极端环境中。图片来源：NOAA Vents Program

现在，有科学家花了12年培养出了10几亿年前的古生菌，一些演化学说开始站不住脚，而新的演化过程正逐渐展现在我们面前。

编译丨石云雷
编辑丨杨心舟


古生菌，第三个重要成员

地球上，最早的原核细胞祖先大约出现在30亿年前，而它们经过10亿年的演化之后，才出现了最早的真核细胞祖先，而人类也是由这些真核细胞逐渐演化才产生的。

与原核细胞相比，真核细胞具有多种典型的细胞器和由核膜包括的细胞核，这让它们能向更复杂、更高级的生物演化。真核细胞被认为是地球生活史上的重大进化创新之一。但真核细胞更复杂，并且与原核细胞已经出现了隔离，因此想要了解真核细胞的演化过程就更加困难。

真菌是一种简单的真核生物，关于真菌的形成过程，存在着很多猜想。美国生物学家Lynn Margulis在整理大量研究和观察数据后，于1970年提出了“内共生学说”。这个学说认为，线粒体起源于能进行氧化磷酸化的细菌，而叶绿体则起源于能进行光合作用的蓝细菌，这些细菌被变形虫状的原始真核细胞所吞噬后，逐渐演化成了多样化的真核生物。虽然这个猜想一直没有得到证明，但是也被大家所接受。

20世纪70年代，美国伊利诺伊大学微生物系的教授Carl Woese发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，他发现了一种外形上与大肠杆菌相似、能产生甲烷的微生物。这种微生物的核糖体RNA与大肠杆菌等大多数细菌具有明显的差异，而与生活在高盐、温泉或火山口环境中的微生物具有更近的亲缘关系。


Carl Woese提出了著名的“三域学说”

Woese根据微生物核糖体RNA的差异，划分了所有微生物的亲缘关系，并提出了划时代的“三域学说”。而PNAS上发表的这类微生物被单独划分出来，并且由于它们的生活环境更接近于早期地球，被命名为“古生菌”。这个“域”的概念比“界”更广，在Woese的理论中，三种域包括，细菌、古生菌和真核生物。

同时，Woese还惊讶地发现，古生菌与真核生物存在一些相似性，包括以甲硫氨酸为起始氨基酸的蛋白质合成方式，DNA具有内含子并结合组蛋白，具有真核细胞相似的RNA聚合酶等。


与真核生物相似

在格陵兰岛和挪威之间的海域中，有一片被称为“洛基城堡”（Loki's Castle）的大洋中脊。这里充满了热泉口，时不时就有超高温的液体从洞口喷涌而出。卑尔根大学的Steffen Jorgensen曾冒险涉足了这片区域，他在距离“洛基城堡”15千米，深达3283米的海底，采集了一份珍贵的样品。

当这份样品转移给乌普萨拉大学细胞和分子生物学系的教授Thijs Ettema时，他提取了样品中的DNA，并进行了深度基因组测序。利用基因组数据，Ettema拼接出了一种新古生菌的DNA。这个来自深海的古生菌，被命名为洛基古菌（Lokiarchaeota）。而Ettema最终获得了它92%的基因组以及5381个蛋白编码基因（Ettema在2015年的论文中已经确认这些基因不可能来自真核生物）。


Thijs Ettema教授

对于这个新发现的古生菌，Ettema首先根据它的基因组序列，确定它的演化分支位置。在基于基因组构建的演化树中，真核生物与洛基古菌与关系很近，从遗传谱系来看，它们甚至算得上洛基古菌的姐妹分群。

在蛋白组成上，有三类只在真核细胞中存在的蛋白：细胞骨架蛋白、ESCRT复合体和鸟苷酸三磷酸酶，洛基古菌都拥有相似的蛋白成分。这些蛋白在真核细胞中参与了各种重要的调控过程，包括细胞骨架重塑、信号转导和囊泡运输。

这项研究于2015年于5月在《自然》上发表时，Ettema表示洛基古菌的发现或能解释古生菌与真核细胞存在的相同特征，补充原核细胞在向真核细胞演化过程中缺失的理论空白。

仅在两年之后，Ettema和研究团队在《自然》上发表了另一篇文章。这次，他们汇集了来自洛基城堡、美国科罗拉多河含水层、黄石国家公园、白橡树河，以及丹麦的奥胡斯湾等地区中的古生菌DNA。

不负所望，他们在这些地区的研究中又另外发现了与洛基古菌具有亲缘关系的3个古生菌门，分别是Thorarchaeote、Odinarchota和Heimdallarchota，并将它们归属到阿斯加德古生菌（Asgard）中。

而Ettema更是重建了这4种古生菌近乎完整的基因组图谱。他们注意到，阿斯加德古生菌在演化树中的位置同样与真核生物最接近。在基因图谱中，他们检测到大量真核标记蛋白(ESP)基因，同时还包括参与真核细胞的囊泡形成的同源蛋白基因。



这些古生菌中的多种蛋白，可归属于真核细胞的特征“蛋白质库”，而这些正是真核细胞复杂性形成的关键蛋白。在基因和蛋白研究数据的支持下，Ettema进一步提出真核细胞和古生菌在演化上起源于同一个分支，极大地冲击了Woese提出的“三域”学说。

另外，Ettema对这些阿斯加德古生菌基因组中的小亚基rRNA基因进行分析表明，阿斯加德古生菌存在于多种厌氧环境的沉积物中。此前，还没有人能够在真实环境中培养出阿斯加德古生菌，不过现在这一局面发生了改变，因为在最近的一项研究中，日本的微生物学在实验室中培养出了阿斯加德古生菌。


三域学说中的古生菌进化树（b）二域的卵母细胞树（two-domain eocyte tree）



12年培养成功

科学家曾推测大约20亿年前，一个好氧菌被阿斯加德古生菌吸收，之后它在古生菌体内定居并变成线粒体，通过消耗氧气为宿主提供能量。不过目前为止，阿斯加德古生菌存在的大多数证据都来自于独特序列的DNA片段。想要培养出阿斯加德古生菌很困难，因为它们生活的环境，如深海海床很少有人类涉足。同时它们生长缓慢，很难被发现。

最近，日本的微生物学家宣称，经过12年的努力，他们从深海海床样品中培养出了阿斯加德古生菌MK-D1。这种菌在基因、蛋白质组成上与真核细胞的相似性以及其细胞的形态特征，可以揭示简单的原核生物向复杂真核生物的演化过程。


Hiroyuki Imachi

早在2006年，日本地球科技研究所的Hiroyuki Imachi就乘坐潜水器潜入2500米深的深海海床，采集了这些样品。在之后的2000天里，他们将这份样品培养在生物反应器中，并持续不断地充入深海海床中常见的一种气体—甲烷。


研究人员驾驶潜水器Shinkai 6500收集了深海海床的底泥，并从中分离到对复杂细胞的进化有潜在关键作用的微生物。

Hiroyuki往培养玻璃管中添加了多种营养成分和其它必需物质，并还加入了4种抗生素，防止细菌造成污染。在长达一年的死寂后，他们终于在一只玻璃管中检测到了微生物。在分析了样品DNA后，他们确定里面含有阿斯加德古生菌，而这也正是他们十多年来梦寐以求的生命。

在培养的早期，Hiroyuki观察到样品中含有丰富的硫酸盐还原菌。只有当这种菌被抗生素杀死后，古生菌MK-D1和产甲烷菌才会逐渐富集，并且这两者表现出一种共生关系。MK-D1会首先分解食物中的氨基酸，释放出氢气，但氢气的积累可能会导致降低MK-D1的生长速度。而共生菌能消耗氢气，促进MK-D1的生长和繁殖。这些复杂的协作关系，也正是导致阿斯加德古生菌难以在实验室培养的一个原因。

现在Hiroyuki已经获得了MK-D1的实体，但这种古生菌繁殖一代，需要长达20天的时间。在耐心的等待之后，Hiroyuki富集了足够数量的古生菌，并可以进行更加深入的研究。Hiroyuki和同事以在希腊神话中用泥巴创造了人类的普罗米修斯( Prometheus )，将这种古生菌MK-D1命名Prometheoarchaeum syntrophicum。


在不同培养时间内，试管中古生菌的生长状态。古生菌MK-D1在不断富集。

Hiroyuki对样品中的所有微生物进行了DNA测序后，采取与Ettema相同的方法进行基因组的构建。不出意外，Hiroyuki也在MK-D1中发现了与真核生物相似、参与构建真核生物关键蛋白的基因。

另外，现在Hiroyuki已经获得了高纯度的阿斯加德古生菌培养物，他们终于有机会一睹MK-D1的真容。Hiroyuki和同事利用电子显微镜对这种古生菌形态和培养状态进行观察，结果显示古生菌MK-D1可以产生类似于“触角”的附属物。基于包括“触觉”在内的这些观测、基因组中包含的代谢信息以及当时的地球演化环境，Hiroyuki提出了真核细胞演化的缠绕-包裹-奴役（Entangle-Engulf-Enslave）的E3模型。


MK-D1的扫描电镜图片
  
他们根据地球的演化进程，推测了10亿年间古生菌MK-D1的演化模式。在早期的海洋中，在大氧化事件（Great Oxidation Even，GOE）之前，海洋中硫酸盐浓度较低， MK-D1的与产甲烷的古生菌共生。而随着海洋和大气的游离氧含量增加，海洋硫酸盐浓度上升，古生菌MK-D1开始与硫酸盐还原菌（SRB）进行共生。

在GOE时期，蓝藻的大爆发也给海洋带来了大量有机物和氧气，导致多余的有机物转移到海洋沉积物。厌氧的阿斯加德古生菌不得不在两条生存途径中进行选择，要么生存在严格的厌氧生境中，要么向厌氧-有氧的界面前进，获得更多的有机物。

然而选择了第二种途径的阿斯加德古生菌，为了进一步适应较高的氧气浓度，需要与好氧菌竞争有机营养物，而且还必须要获得利用氧气的能力，那么可供它们选择的两种途径，要么是获得有氧呼吸(即电子传递链和末端氧化酶)，要么是吞噬可以利用氧气的细菌来消耗氧气。

从观察到的阿斯加德古生菌形态上，Hiroyuki推断它们利用“触角”去缠绕并吸收能利用氧气的细菌，这可能是不得为之和能量消耗更小的途径。但也不能排除，阿斯加德古生菌“触角”附着物是在氧气压力下逐渐筛选和演化产生的。

最终只有“触角”包裹好氧细菌的阿斯加德古生菌，才能在氧气丰富的环境中生存下来。而当这种复合生物体，从底泥环境中进入营养更加丰富的海洋环境后，海水的阻力使促使阿斯加德古生菌的膜融合，最终将好氧细菌永久地束缚在细胞膜内。融合之后的好氧菌逐渐演化成了线粒体，阿斯加德古生菌也开始游荡到海洋中，后续演化成为了我们现在看到的真核生物。


真核细胞演化的Entangle-Engulf-Enslave（缠绕-包裹-奴役）的E3模型


下一个古生菌

Ettema提示，生活在20亿年前的真核细胞始祖，可能行为上与古生菌MK-D1并不会完全一致。而对古生菌DNA的研究数据表明，还存在其他与真核生物更近缘的古生菌。日本科学家消耗了长达12年的时间培养这种微生物，将促进其他科学家在实验室中，对其他亲缘关系更近的古生菌进行分离和培育。Ettema说“我相信，要培养获得下一个Asgard，将不需要在花费12年的时间。”

Ettema还表示，这是一项备受瞩目的研究工作。尽管该研究是最近才发表在《自然》上，但在此以前，这项研究就已经在社交媒体火了起来，先后被大家誉为“年度最佳论文”和“微生物生态上的登月事件”。现在，这些20亿年前的古细菌还有更多的故事等待我们去发掘。

参考链接：
https://www.sciencemag.org/news/2019/08/tentacled-microbe-could-be-missing-link-between-simple-cells-and-complex-life
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02430-w
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/726976v2
https://link.springer.com/content/pdf/10.1186%2Fs12915-015-0194-5.pdf
https://www.nature.com/articles/nature14447
https://www.nature.com/articles/nature21031