《自然》12年！神秘的古细菌终于被培养出来，揭示了细胞的进化。

简介:随着科学家对神秘古生菌的了解越来越多，他们发现了组成人、植物等复杂细胞进化的线索。

古细菌(简称古细菌)作为生物三大领域之一(另外两个领域是细菌和真核生物)，起源比细菌更古老，通常存在于深海、高温等极端环境中。此外，它们可能是地球上复杂生命进化的关键。虽然真核生物和古细菌可能起源于同一个祖先，但许多科学家怀疑古细菌促进了真核生物的产生，如变形虫、蘑菇、植物和人。

一种流行的进化理论认为，真核生物起源于古细菌，古细菌在这个过程中与其他微生物融合。但研究人员在探索这一想法时遇到了困难，部分原因是古细菌很难在实验室中生长和研究，以至于它们的发展和分裂仍然很神秘。

最近，顶级杂志《自然》发表了一篇题为“产生复杂生命的神秘微生物”的文章，介绍了古菌的发展。

澳大利亚悉尼科技大学的分子微生物学家伊恩·达金(Iain Duggin)表示，在过去十年中，关于这种神秘微生物的出版物数量增加了近一倍。他说:“我们可以做一些有趣的基础实验，迈出伟大发现的第一步。以便我们更清楚地了解最早的真核生物是如何进化的？”

威斯康星大学麦迪逊分校的鲍姆正在研究一种古生菌。鲍姆花了很多时间想象人类的远祖可能是什么样子。恰好BioRxiv的预印版刊登了科学家花了12年培养的古细菌。它有触须一样的突起，里面的细胞看起来像肉丸，然后一些意大利面条附在上面。

这个图像震惊了鲍姆。后来发表在《自然》杂志上。这些照片让全世界的微生物学家兴奋不已。它们是科学家12年辛勤工作的古细菌果实，被认为与真核生物的产生密切相关。

五年前，鲍姆和他的表弟巴兹·鲍姆发表了一个关于真核生物起源的假说。他们的预测和这张图类似，所以当鲍姆盯着这种类似意大利面的古细菌时，他很惊讶:“天哪，我们的猜测是对的！”"

如果真核生物确实是一种强大的古菌，那么科学家必须了解古菌才能了解更复杂的细胞是如何形成的。虽然研究真核生物和细菌的科学家已经研究了几十年细胞分裂和生长的过程，但古细菌的内部运作仍然模糊不清。

从土壤到海洋，所有细胞的相似之处在于分裂成更多的自己。它发生在地球上所有基于细胞的生命的同一个祖先身上，但随着生物适应不同的生态环境，这个过程开始变得不同。

研究人员可以通过观察这种差异来探索进化。所有的细胞生命机制都有从最早的细胞遗传而来的生物学相似性。相比之下，只有古细菌和真核生物或细菌和真核生物之间的共享系统暗示了哪个亲本提供了真核生物的各种成分。例如，将真核细胞与外部环境分离的柔性膜类似于细菌中的膜。

达金研究了古细菌的细胞分裂。它喜欢盐水环境，比如死海。

虽然细菌、真核生物和古细菌之间有很大的差异，但这些类群确实* * *享有几个细胞分裂系统。在细菌中，一种叫做FtsZ的蛋白质会在细胞分裂的未来位点形成一个环。Duggin和他的合作者在H. volcanii中观察到了同样的现象。所以FtsZ似乎是植根于进化的基础上。

然而，在进化的某个阶段，一些古菌将细胞分裂分配给了另一组蛋白质。鲍姆的团队一直在研究古菌酸热硫化叶菌。名字很贴切:它喜欢酸和热。实验室成员戴上手套保护自己免受其中酸性液体的伤害，并设置了一个特殊的小室，以便他们可以在显微镜下观察它的分裂，而没有冷点或蒸发。

Baum的团队发现了一套完全不同的蛋白质来管理裂环。在最初发现它们的真核生物中，这些蛋白质不仅与分裂有关，还具有更广泛的功能:在整个细胞中分离膜，形成囊泡和其他小容器。这些蛋白质被称为ESCRT(体内运输分选复合体)。在酸性嗜盐菌中，研究小组发现了蛋白质，这是一种与裂变环管理相关的古菌，这表明ESCRT的早期版本是在真核生物的古菌中进化而来的。

与此同时，FtsZ进化成真核微管蛋白，赋予我们的细胞结构。这些发现表明，真核生物的古细菌祖先可能有一套塑造和分裂细胞的工具，可以自然选择，然后适应更复杂的后代细胞的需要。

但是古细菌的祖先是什么样的细胞呢？它是如何与细菌相遇并融合的？

生物学家琳·马古利斯在1967中首次提出，当一个细胞吞噬另一个细胞时，真核生物就会出现。大多数研究人员认为吞噬作用仍在进行，但对于吞噬作用何时发生以及真核生物的内部隔室是如何产生的，存在不同的想法。

许多模型认为，最终成为真核细胞的细胞在遇到将成为线粒体的细菌之前，具有非常复杂的柔性膜和内部隔室。这些理论要求细胞发展出一种吞咽外来物质的方式，即吞噬作用，这样它们就能以致命的方式抓住路过的细菌。相比之下，古尔德等人认为，线粒体获得得早，因此它们有助于为更大、更复杂的细胞提供能量。

Baum模型是为数不多的解释线粒体如何在没有吞噬作用的情况下产生的模型之一。大卫·鲍姆于65438年至0984年在英国牛津大学读本科时首次提出了这一观点。古细菌可能开始伸展其外膜，以增加其用于营养交换的表面积。随着时间的推移，这些突起可能会在细菌周围扩散和生长，直到细菌或多或少地进入古细菌内部。同时，当一些特别长的触角在边缘附近生长时，就会形成新的细胞外膜。与古菌前体相比，细胞变得更大。

这个物种是第一个从名为阿斯加德古菌的群体中培养出来的。2015中描述的这些生物编码的蛋白质被许多科学家认为与真核生物非常相似。研究人员很快怀疑真核生物的古细菌祖先与仙宫古细菌相似。这一发现通过指出潜在的祖母来支持鲍姆的假设。

Asgard的代表(尚未命名，目前称为Candidatus ' Promethoarchaeum syntropcum ')生长在一个生物反应器中，一对微生物吊架享受着微生物的营养。值得注意的是，它没有复杂的内膜或迹象，它曾经希望吞噬那些同伴。它有三个与细胞分裂相关的系统。

当细胞停止分裂并伸出触角时，最大的惊喜就来了。鲍姆斯提出，正如他们的祖母细胞模型所预测的那样，这些可能会增加与古细菌培养的微生物的营养交换。

根据他们的观察，Nobu和他的同事们发展了一种关于真核生物如何进化的理论，这种理论与Baums的思想有许多相似之处。它包括由微生物延伸的细丝，最终吞噬其伴侣。Nobu说:“我喜欢我们的假设，因为它允许真核生物特有的复杂性(细胞核和线粒体同时发生)。”

随着研究人员对古细菌的不断培养和研究，已经在实验室中成功培养了数十种微生物。Buzz Baum和他的合作者正在调查古菌中* * *的关系，并分析微生物谱系，以进一步测试他们的想法。Nobu和他的同事正在更详细地研究这些突起，并研究其他Asgard古生菌。

可能会有更多的证据被发现。例如，鲍姆斯预测，可能会找到触手膜尚未完全与外细胞膜分离的真核生物。“它们都是细菌、古细菌和新发明。”巴兹鲍姆说。

参考资料:

1/articles/d 41586-021-01316-0

注:本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案的参考。如果需要健康指导，请去正规医院。