實驗室中已經成功培育出最原始的生命,也許能解釋真核生物的起源

早在2010年,當科學傢對北冰洋海底沉積物核進行DNA分析時,他們發現瞭令人驚訝的發現。一種未知的的屬於古怪微生物領域的生物稱為古細菌(Archaea),似乎具有與完全不同的領域-真核生物(Eukaryota)相關的基因組特征。

他們以發現它的格陵蘭附近的洛基城堡(Loki’s Castle)熱液噴口為名字命名瞭洛基古細菌(Lokiarchaeota)。但是懷疑籠罩著這一發現,樣品可能被沉積物核中的其他物質污染瞭嗎?

現在,由於日本科學傢的努力,這些疑慮可以平息瞭。他們第一次隔離瞭洛基古細菌,並將其在實驗室中養殖。

這意味著研究人員首次可以直接研究活的洛基古細菌並與之互動,這可以幫助我們在這個令人難以置信的藍色星球上找到我們的始祖。他們的研究成果於去年發佈,現已發表在《自然》雜志上。

實驗室中已經成功培育出最原始的生命,也許能解釋真核生物的起源

生命樹的可以劃分為三個領域。其中一種被細菌占據:一種沒有細胞核或膜結合細胞器的單細胞微生物,並通過揮舞稱為鞭毛的頭發狀結構而活動。另一個是真核生物,一種具有細胞核和膜的生物。該領域包括我們人類、動物、植物和藻類。

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細菌結構

然後是古細菌。這些細菌很像細菌,因為它們缺乏細胞核和膜結合細胞器,並且可以利用鞭毛四處遊蕩。但是有一些關鍵差異。他們的分裂方式不同。它們的細胞壁是由稍微不同的東西制成的。而且它們的RNA差異足以將它們在系統樹上分開。

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真核生物細胞結構

但是隨後出現瞭洛基古細菌-還有其他具有真核生物特征的古細菌標本。它們分別命名為托爾古細菌(Thorarchaeota),奧丁古細菌(Odinarchaeota)和海姆達爾古細菌(Heimdall)(北歐神話命名法則)。

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古細菌結構

它們被統稱為阿斯加德古細菌(Asgard archaea),有些科學傢認為它們可能是真核生物的起源-也許是在類似阿斯加德的古細菌吞噬瞭細菌之後。

但是,如果不對生物進行單獨的研究就很難這麼說。這是日本科學傢要做的。2006年,他們從海平面以下2533米的南海海槽中的海床中打撈瞭一個沉積物核。

在這之前沒有任何人知道阿斯加德古細菌。直到後來,對這些豐富的樣本進行的RNA分析揭示瞭類似洛基古細菌的生物的存在。

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古細菌

當團隊開始工作時,他們還不知道這些。他們在旨在模擬深海甲烷排放口的連續甲烷流生物反應器系統中精心培育瞭五年的樣品。微生物繁殖非常緩慢。

下一步是將來自生物反應器的樣品放入裝有營養物的玻璃管中,以喂養和讓它們生長。他們在那裡呆瞭一年,終於開始發展出非常微弱的洛基古細菌種群。

然後,該團隊投入瞭更多的時間來隔離、培養和發展這種緩慢分化的種群。常見的細菌種群通常需要大約半小時才能翻倍。洛基古細菌花瞭20天。

研究人員在論文中寫道:“重復的亞種群…逐漸豐富瞭古細菌,其生長速度極慢且細胞產量極低。”

“培養物始終具有30-60天的遲滯期,需要3個月才能達到完全生長。培養溫度的變化,以及底物組合和濃度不能顯著改善遲滯期、生長速率或細胞產量。”

總共,實驗耗時12年。研究人員將其栽培的微生物命名為普羅米修斯古細菌(Prometheoarchaeum syntrophicum)-以普羅米修斯(Prometheus)命名,普羅米修斯是古希臘神話中的泰坦,他被認為是用粘土創造人類的。

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普羅米修斯古細菌(Prometheoarchaeum syntrophicum)

他們得到瞭幾個奇怪的發現。首先是普羅米修斯古細菌隻會在一種或兩種其他微生物,即古生甲烷菌(archaeon Methanogenium)和光環脫硫弧菌(Halo desulfovibrio)存在下的情況生長。當普羅米修斯古細菌將氨基酸分解成食物時,它會產生氫,其他微生物會吃掉氫。

如果氫被允許累積,這可能會進一步阻礙普羅米修斯古細菌的已經緩慢的生長,說明古細菌與其他微生物共生關系,在這種情況下互養-這意味著一方或雙方的增長取決於對方吃什麼。

然後,當在電子顯微鏡下檢查該生物時,它發現瞭古細菌的一種不尋常形狀-長觸角從其體內萌芽,其共生微生物棲息在其中。研究人員推測,當地球上的氧氣開始增加時,這種生物體可能已經與使用氧氣的細菌發生瞭聯系,從而增加瞭其生存機會,並踏上瞭通往真核生物生命的道路。

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真核生物假想模型

a,有營養/發酵宿主古細菌將氨基酸降解為短鏈脂肪酸和氫。b,宿主可能已經與可以消除有毒氧氣(未來的線粒體;紅色)的需氧有機營養夥伴發生瞭進一步的相互作用。C,宿主的外部結構可能已經與好氧夥伴相互作用,以增強物理相互作用,並進一步吞噬伴侶,從而同時發展內共生和原始的類核苷酸結合膜。d,被吞噬後,宿主和共生體可能會繼續按照b所示作為內共生的原始類型進行相互作用。e,由內共生體形成ADP/ATP載體(AAC)。F,宿主通過分解代謝和ATP生成委托給內共生體並建立共生體到宿主ATP通道。

確實,DNA測序揭示瞭其他阿斯加德古細菌中發現的真核生物特征。

顯然,還需要做更多的工作。普羅米修斯古細菌可能與數十億年前的古細菌完全不同。真核生物是從古細菌進化而來的,遠非權威的證據。

到目前為止,這項研究是在同行評審之前進行的,因此及時瞭解科學界對此做出的貢獻將很有趣。但是,無論現在發生什麼,我們都將從這項工作中學到很多東西。

“這是一個裡程碑式的文章,反映瞭龐大數量的工作和毅力。”荷蘭瓦赫寧根大學的微生物進化學傢蒂斯·埃特瑪(Thijs Ettema)說。“這是理解這一重要譜系的重要一步。”

該研究已發表在《自然》雜志上。

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