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导读:随着科学家们对神秘的古代细菌的了解越来越多，他们找到了构成人和植物的复杂细胞进化的线索。
古细菌作为生物三大领域之一，起源比细菌更早，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表明，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。然而，研究人员在探索这一想法时遇到了困难，部分原因是古代细菌很难在实验室中生长和研究，因此它们的发展和分裂仍然是神秘的。
最近，一篇名为《引起复杂生命的神秘微生物》的文章发表在顶级期刊《自然》上，介绍了古细菌的发展过程。
澳大利亚悉尼科技大学的分子微生物学家Iain Duggin说，在过去的十年里，关于这种神秘微生物的出版物几乎翻了一番。他说:“我们可以做一些有趣的基础实验，迈出重大发现的第一步。这样，我们就能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细菌。鲍姆花了很多时间想象遥远的祖先可能是什么样子。碰巧预印版BioRxiv公布了科学家培育了12年的古菌。它有触手状的突起，细胞看起来像肉丸，然后有一些意大利面附着在上面。
图:科学家培育12年的古菌
这张照片震惊了鲍姆。后来，它发表在《自然》杂志上。这些照片让全世界的微生物学家兴奋不已。它们是科学家辛勤工作12年的古菌成果，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，所以当鲍姆盯着像意大利面一样的古老细菌时，他很惊讶:“哦，我的上帝，我们的猜测是对的！”
这个谜慢慢被解开了
如果真核生物确实是一种强大的古细菌，那么科学家必须了解古细菌才能了解更复杂的细胞是如何形成的。尽管研究真核生物和细菌的科学家几十年来一直在深入研究细胞分裂和生长的过程，但古菌的内部运作仍然模糊不清。
从土壤到海洋，所有细胞的共同点是它们分裂成更多的自己。它发生在地球上所有基于细胞的生命的共同祖先中，但是随着生物体适应不同的生态环境，这个过程变得不同。
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遗传自最早细胞的生物学共性。相比之下，只有在古细菌和真核生物之间或细菌和真核生物之间共享的系统才意味着哪个亲本提供了真核生物的各种成分。例如，真核细胞与外部环境分离的柔性膜类似于细菌中的膜。
图片:温泉水中有一些古老的细菌
杜根研究了古细菌的细胞分裂。它喜欢咸水条件，比如死海。
虽然细菌、真核生物和古细菌之间有很大的差异，但这些群体确实共享几个细胞分裂系统。在细菌中，一种叫做FtsZ的蛋白质将在未来的细胞分裂位点形成一个环。杜根和他的合作者在嗜血杆菌火山活动中观察到了同样的现象。因此，FtsZ似乎根植于进化的基础。
然而，在进化的某个阶段，一些古细菌将细胞分裂分配给另一组蛋白质。鲍姆的团队一直在研究酸性古菌。名字很贴切:它喜欢酸和热。实验室成员戴着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腔室，这样他们就可以在显微镜下观察到它裂开，没有冷点或蒸发。
图片:科学家们正在研究古细菌，硫杆菌，卤细菌和甲烷八叠球菌是如何生长和分裂的
鲍姆的团队看到了一套完全不同的蛋白质来管理裂环。在最早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:分离整个细胞中的膜，形成小泡和其他小容器。这些蛋白质被称为ESCRT。在酸性嗜盐芽孢杆菌中，研究团队发现了与分裂环管理相关的古细菌蛋白，这表明早期版本的ESCRT在真核生物的古细菌中进化。
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个用于塑造和分裂细胞的试剂盒，可以自然选择，然后适应更复杂的后代细胞的需求。
古细菌的祖先
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年首次提出，当一个细胞吞噬另一个细胞时，真核生物就会出现。大多数研究人员都认为吞噬作用仍在继续，但他们对吞噬作用何时发生以及真核生物的内室是如何产生的有不同的看法。
许多模型认为，最终成为真核细胞的细胞在遇到将要成为线粒体的细菌之前是非常复杂的，并且具有柔性膜和内部隔室。这些理论要求细胞发展一种吞噬的方式，这样它们就能以致命的方式捕捉路过的细菌。相反，古尔德和其他人认为线粒体是早期获得的，因此它们有助于为更大、更复杂的细胞提供能量。
鲍姆模型是少数几个解释线粒体是如何在没有吞噬作用的情况下产生的模型之一。大卫·鲍姆第一次提出这个想法是在1984年，当时他还是英国牛津大学的本科生。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，这些凸起可能会在细菌周围扩散和生长，直到细菌或多或少在古细菌内部。同时，当一些特别长的触角在边缘附近长大时，就会形成新的细胞外膜。与古细菌前体相比，细胞变得更大。
这个物种是第一个从一群叫做阿斯加德的古细菌中培育出来的。2015年描述的这些生物体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阿斯加德古细菌相似。通过指出潜在的祖母，这一发现支持了鲍姆的假设。
阿斯加德代表在生物反应器中生长，一对微生物衣架与附近的微生物分享营养。值得注意的是，它没有任何复杂的内膜或迹象，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，伸出触角时，最大的惊喜来了。鲍姆斯认为，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共培养的微生物之间的营养交换。
根据他们的观察，Nobu和他的同事发展了一种关于真核生物如何进化的理论，这与Baums的思想有许多相似之处。它包括由微生物延伸的细丝，最终吞噬它的同伴。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。”。
随着研究人员继续培养和研究古细菌，已经在实验室成功培养了数十种微生物。巴兹·鲍姆和他的合作者正在研究古细菌之间的共生关系，并分析微生物谱系，以进一步验证他们的想法。Nobu和他的同事正在更详细地研究这些突起，并在其他阿斯加德古菌上进行研究。
可能会有更多的证据被发现。例如，鲍姆斯预测，可能会发现触手膜没有与外部细胞膜完全分离的真核生物。"它们既是细菌、古细菌又是新发明."巴兹鲍姆说。
参考文献:
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