新浪科技訊 北京時間7月7日消息，隨著科學家對神秘古生菌了解的越來越多，他們(men) 正在尋找有關(guan) 構成人類、植物等複雜生命細胞的進化線索。

　　2019年8月，美國威斯康辛大學進化生物學家大衛·鮑姆曾翻閱了一本預印本，能夠與(yu) 人類的遠親(qin) “麵對麵接觸”，或者確切地說是“麵對細胞”，這個(ge) 遠親(qin) 是古生菌，它是一種生活在極端環境的超微生物，通常生活在深海噴口和酸性湖泊，古生菌外形類似於(yu) 細菌，在bioRxiv發布的一份預印本描述了古生菌長著像觸須狀的突起，從(cong) 而使古生菌看上去像附了幾縷意大利麵的肉丸。

科學家花費12年時間培育出一種生長緩慢、長有觸須的古生菌，它被認為(wei) 與(yu) 複雜細胞的祖先存在相似之處

　　鮑姆曾花很多時間想象人類的遠古祖先會(hui) 是什麽(me) 樣，事實上古生菌就是人類完美的“分身”，盡管兩(liang) 者的外形相差懸殊。

　　古生菌不僅(jin) 是在極端環境中茁壯成長的怪異生命形式，事實證明，它們(men) 分布非常廣泛，此外，更重要的是，它們(men) 可能是理解地球上複雜生命如何進化形成的關(guan) 鍵環節。許多科學家猜測，古生菌可能導致真核生物種群的崛起，變形蟲、菌菇、植物和人類就是由真核生物演變而來的，同時，部分科學家認為(wei) ，真核生物和古生菌也有可能是由一些更遙遠的共同祖先物種進化產(chan) 生。

　　真核細胞是具有複雜內(nei) 部特征的宮殿結構，其內(nei) 部包括容納遺傳(chuan) 物質的細胞核，以及產(chan) 生能量和構建蛋白質的獨立隔膜，一種關(guan) 於(yu) 它們(men) 進化演變的主流理論認為(wei) ，它們(men) 起源於(yu) 古生菌，在進化曆程中可能與(yu) 另一種微生物結合。

　　但是研究人員在探索該觀點時遇到了困難，部分原因是古生菌很難在實驗室中生長和研究，古生菌受到的關(guan) 注如此之少，以至於(yu) 它們(men) 的基本生活方式，例如：它們(men) 是如何生長和分裂的，在很大程度上仍是一個(ge) 未解謎團。

　　古生菌研究僅(jin) 是被賦予生命的“寵物理論”？

在美國懷俄明州黃石國家公園大棱鏡溫泉中，一些古生菌能在滾燙的溫泉水中成長

　　目前，研究人員可能比以往任何時候更接近一個(ge) 貌似有理的進化答案，由於(yu) 人們(men) 對這些經常被忽視的微生物的興(xing) 趣不斷增大，以及在實驗室不斷發明處理古生菌的方法，細胞生物學家正在比以前更詳細地觀察它們(men) 。澳大利亞(ya) 悉尼科技大學分子微生物學家伊恩·達金說：“在過去十年裏，關(guan) 於(yu) 這種神秘微生物種群的發布的研究報告幾乎增長一倍，而且對古生菌的生物學初步研究成果是非常令人興(xing) 奮的。”

　　目前，鮑姆發布在《自然》雜誌的圖像提出了一個(ge) 新觀點，即鮑姆辛苦培育12年的古生菌，可能與(yu) 真核生物的出現密切相關(guan) 。來自世界各地的微生物學家都為(wei) 這些圖像感到興(xing) 奮，但對鮑姆而言，這僅(jin) 是一個(ge) 被賦予生命的“寵物理論”。

　　5年前，鮑姆和他的堂弟、英國劍橋醫學研究委員會(hui) 分子生物學實驗室細胞生物學家巴斯·鮑姆發表了一項關(guan) 於(yu) 真核生物起源的假說理論，他們(men) 預測稱，真核生物的祖先可能長有突起物，這很像古生菌的外形。他們(men) 推斷這些突起物環繞在附近的細菌周圍，之後它們(men) 轉變成為(wei) 真核細胞的一個(ge) 顯著特征：菱形的能量製造器，即線粒體(ti) 。

　　當大衛·鮑姆盯著這些像意大利麵條一樣古生菌時，回想5年前與(yu) 堂弟提出的真核生物起源假說理論，突然恍然大悟，認為(wei) 之前的假說理論似乎是有道理的。

　　基本的奧秘

科學家正在研究嗜酸熱硫化葉菌（圖左）、富鹽菌（圖中）、甲烷八疊球菌（圖右）這樣的古生菌如何生長和分裂的，從(cong) 而闡明複雜細胞的進化曆程

　　如果真核生物真的是一種增強版的古生菌，那麽(me) 科學家必須了解古生菌，才能弄清楚更複雜的細胞是如何形成的。雖然研究真核生物和古生菌的科學家已花費幾十年時間深入觀察研究細胞分裂和生長等過程，但古生菌的內(nei) 部工作原理在很大程度上仍是個(ge) 未解謎團。德國弗萊堡大學分子微生物學家索尼婭·阿爾伯斯說：“古生菌的每次活動方式都不一樣，例如：相關(guan) 的蛋白質可能在不同的生物體(ti) 中起到不同的作用，這使得古生菌變得很有意思。”

　　從(cong) 土壤到海洋，所有存活的生物細胞都有一個(ge) 共同點，那就是它們(men) 通過分裂來製造更多的自身，該現象發生在地球上所有以細胞為(wei) 基礎的生命共同祖先上，但隨著生物適應了它們(men) 的生態龕位，這個(ge) 過程開始變得有所不同。

　　研究人員可以通過觀察這種差異來探索生物進化過程，所有細胞生命形式所共有的任何機製都指向最早期細胞的生物遺傳(chuan) 性，相比之下，隻有古生菌和真核生物，或者隻有細菌和真核生物共有的係統，暗示著真核生物各種成分是由哪個(ge) 母體(ti) 提供的。例如：將真核細胞從(cong) 外界環境中分離出來的柔性膜就非常類似細菌結構。

　　達金研究的是一種叫做富鹽菌（Haloferax volcanii）的細胞分裂過程，該細菌喜歡鹹水環境，例如：死海，而不是火山。事實上，富鹽菌的命名是以微生物學家本傑明·埃拉紮裏·波爾卡尼（Benjamin Elazari Volcani）的名字命名的。作為(wei) 一種嗜極生物，富鹽菌在鹹水環境中很容易生長，在顯微鏡下很容易看到處於(yu) 分裂狀態的扁平細胞組織。

　　盡管體(ti) 形較大的富鹽菌與(yu) 細菌、真核生物和古生菌存在著巨大差異，但它們(men) 確實有一些相同的細胞分裂係統，在細菌體(ti) 中，有一種名為(wei) FtsZ的蛋白質，在未來細胞分裂部位形成一個(ge) 環狀結構。同樣，達金和同事在富鹽菌中也觀察到同樣的情況，因此，他們(men) 認為(wei) FtsZ蛋白質似乎處於(yu) 細胞進化樹底部。

　　目前，科學家通過研究古生菌，也揭示了其他古老蛋白質的神秘麵紗，其中包括一種叫做SepF的蛋白質，德國弗萊堡大學分子微生物學家索尼婭的研究小組發現，SepF是富鹽菌分裂所必需的蛋白質，巴黎巴斯德研究所的進化生物學家尼卡·彭德稱，SepF和FtsZ蛋白質，可能都是細胞分裂的原始“最小係統”一部分，通過分析這兩(liang) 種蛋白質編碼基因在多種微生物中的分布情況，可將所有活細胞追溯至最早的共同祖先。

　　然而，在生物進化的某個(ge) 階段，一些古生菌將細胞分裂的工作分配給一組不同的蛋白質，這就是巴斯·鮑姆最新研究的切入點。他帶領研究團隊一直在研究一種叫做嗜酸熱硫化葉菌（Sulfolobus acidocaldarius）的古生菌，它與(yu) 名字非常相符，它非常喜歡酸和熱，實驗室研究人員戴著園藝手套，從(cong) 而保護自己免受嗜熱硫化葉菌生活的酸性液體(ti) 帶來的傷(shang) 害，實驗室成員戴著園藝手套，從(cong) 而保護自己免遭酸性液體(ti) 的傷(shang) 害，他們(men) 在實驗室建造了一個(ge) 特殊的隔間，便於(yu) 在沒有冷點或者蒸發情況下，使用顯微鏡下觀察它的分裂過程。

　　鮑姆的研究小組觀察到一組完全不同的蛋白質操控分裂環，他們(men) 首次在真核生物中發現這些蛋白質，它們(men) 不僅(jin) 參與(yu) 分裂，還有更廣泛的作用，能將細胞的細胞膜分離，形成被細胞膜包裹的囊泡，以及其他較小的細胞區域。這些蛋白質被稱為(wei) “核內(nei) 體(ti) 運輸排序複體(ti) 蛋白質（ESCRTs）”，研究小組在嗜酸熱硫化葉菌中發現與(yu) 管理分裂環的通用型鉗子的相關(guan) 原始蛋白質，這表明早期ESCRTs蛋白質在真核生物的古生菌祖先中完成進化。

　　與(yu) 此同時，FtsZ蛋白質進化成了真核微管蛋白質，為(wei) 我們(men) 人類細胞提供結構支持，這些發現表明，真核生物的原始祖先可能擁有一套工具來塑造和分裂細胞，然後自然選擇適應更複雜的後代細胞的需要。

　　洞察真核生物的遠古祖先

　　但是古生菌的祖先是什麽(me) 類型的細胞呢？它是如何與(yu) 它的細菌夥(huo) 伴相遇並融合的？

　　1967年，生物學家林恩·馬古利斯首次提出一個(ge) 觀點，即真核生物是由細胞吞噬其他細胞而產(chan) 生的。大多數研究人員同意發生過細胞吞噬事件，但他們(men) 對吞噬發生的時間和真核生物內(nei) 部隔間是如何形成的有不同的觀點。德國海因裏希·海涅大學進化細胞生物學家斯文·古爾德說：“之前幾十個(ge) 測試模型都已夭折，因為(wei) 它們(men) 的可靠度很低。”目前，隨著細菌生物學家對古生菌的理解逐漸加深，其他理論可能會(hui) 興(xing) 起或者衰落。

　　許多模型假設在細胞最終演變成真核生物之前已經相當複雜，擁有柔性細胞膜和內(nei) 部隔間，這些理論要求細胞發展出一種吞噬外部物質的方法，該過程被稱為(wei) 細胞吞噬作用。這樣細胞就能在一次致命咬食中迅速吞噬途經的細菌，相比之下，古爾德和其他人認為(wei) 線粒體(ti) 是在早期獲得的，它們(men) 隨後幫助更大、更複雜的細胞提供燃料。

　　這是解釋線粒體(ti) 如何在沒有細胞吞噬作用情況下產(chan) 生的少量模型之一，1984年，大衛·鮑姆在英國牛津大學讀本科時首次產(chan) 生這個(ge) 想法，他的研究過程從(cong) 古生菌和細菌聚集在一起，共享資源開始，古生菌可能會(hui) 開始伸展和膨脹其外部細胞膜，從(cong) 而增加用於(yu) 養(yang) 分交換的表麵積。隨著時間不斷推移，這些膨脹可能在古生菌周圍擴散和生長，直到古生菌或多或少地進入古生菌體(ti) 內(nei) 。

　　同時，古生菌的原始外膜與(yu) 周圍延伸的較長觸須相比，顯得相形見絀，逐漸被弱化，當一些特別長的觸須環繞在細胞產(chan) 生的新外膜將逐漸形成新細胞核邊界，與(yu) 古生菌的祖先相比，它顯著被膨脹擴大。這一過程不同於(yu) 細胞吞噬作用，因為(wei) 它從(cong) 一個(ge) 生物體(ti) 群落開始，並在很長一段時間內(nei) 發生，而不是“簡單地咬一口”。

　　鮑姆的導師告訴他這個(ge) 想法很有創意，但缺乏相關(guan) 證據，便暫時未重視。但是鮑姆的興(xing) 趣仍未被撲滅，大衛·鮑姆隨後對堂弟巴斯·鮑姆分享了他對生命科學的熱愛，他回憶稱，這也是我選擇生物學專(zhuan) 業(ye) 的部分原因。

　　2003年，大衛·鮑姆決(jue) 定將關(guan) 於(yu) 古生菌的理論記錄下來，他對堂弟巴斯寫(xie) 了一封信，當時巴斯管理著自己的實驗室，在巴斯的幫助下，大衛·鮑姆進一步發展了該理論。他們(men) 定義(yi) 了生物學的幾個(ge) 方麵來支持自己的觀點，例如：發現古生菌和細菌共存並交換營養(yang) 物質的事實。這對兄弟努力想要發表該研究報告，最終直到2014年才發表在《英國醫學委員會(hui) 生物學》雜誌上。

　　大衛·鮑姆回憶稱，該研究報告發表之後很快獲得科學界的熱烈響應，尤其是來自細胞生物學家的響應，到2014年，大衛·鮑姆仍然認為(wei) 他們(men) 僅(jin) 有50%的概率是正確的。然而5年之後，像附了幾縷意大利麵的肉丸的古生菌圖像出現了，鮑姆兄弟感到興(xing) 奮激動。

　　這是首次從(cong) 阿斯加德古菌（Asgard archaea）中培育出來的古生菌，2015年曾對該生物進行了描述，其基因編碼的蛋白質被許多科學家認為(wei) 與(yu) 真核生物非常相似，研究人員很快開始懷疑真核生物的遠古祖先類似於(yu) 阿斯加德古菌，通過指向一個(ge) 潛在的祖先物種，這項發現支持鮑姆兄弟的假設理論。

　　這種阿斯加德古菌還沒有最終進行科學命名，目前被暫定稱為(wei) “Prometheoarchaeum syntrophicum”，它是在生物反應器中生長的，放在一對微生物架上，喂食營養(yang) 物質。值得注意的是，這種古生菌沒有任何複雜的內(nei) 部細胞膜或者發生細胞吞噬作用的跡象。它有3個(ge) 關(guan) 聯細胞分裂的係統：相當於(yu) FtsZ蛋白質作用的蛋白質、核內(nei) 體(ti) 運輸排序複體(ti) 蛋白質（ESCRTs）和負責肌肉收縮的肌動蛋白，肌動蛋白也有助於(yu) 真核生物發生分裂，研究小組成員日本東(dong) 京國家先進工業(ye) 科學技術研究所微生物學家Masaru Nobu稱，我們(men) 還沒有弄清楚這種古生菌是通過哪一種方式進行自我分裂的。

　　當該古生菌細胞停止分裂並長出觸須時，研究人員感到非常驚訝，鮑姆兄弟認為(wei) ，這可能會(hui) 放大與(yu) 古生菌共培養(yang) 的微生物之間的營養(yang) 交換，正如他們(men) 對這種祖先級細胞模型預測的那樣。

　　依據他們(men) 的觀察，Masaru Nobu和同事們(men) 設計了一個(ge) 關(guan) 於(yu) 真核生物如何進化的理論，該理論與(yu) 鮑姆兄弟的觀點有很多相似之處。該理論提出一種能延伸出細絲(si) 的微生物，它最終可以吞噬自己的夥(huo) 伴。Masaru Nobu說：“我非常喜歡這種假設，因為(wei) 它考慮到了真核生物特有的這些複雜性——細胞核和線粒體(ti) 。”

　　培養(yang) 信心

　　阿斯加德古菌的圖像確實幫助並支持了鮑姆兄弟的理論，進化微生物學家、阿斯加德古菌的共同發現者安雅·斯潘說：“它們(men) 能形成這些突起是非常令人興(xing) 奮的，這一切都是有密切關(guan) 聯的，因為(wei) 如果一個(ge) 祖先物種可以形成這樣的突出物，它就可以使古生菌和細菌的聯合體(ti) 變得更加緊密。”

　　目前鮑姆兄弟評估他們(men) 的理論正確率達到80%，但他們(men) 並不是唯一有信心的人，英國醫學研究委員會(hui) 生物化學家拉馬努金·赫格德從(cong) 事多年研究細胞膜蛋白，他正在編寫(xie) 即將出版的第七版《細胞分子生物學》教材，他和同事決(jue) 定將鮑姆兄弟提出的假說理論取代當前版本中基於(yu) 細胞吞噬作用的理論模型，當然該理論仍沒有相關(guan) 證據，赫格德謹慎地使用“可能有”等不確定的術語。

　　事實上，包括古爾德在內(nei) 的其他一些專(zhuan) 家認為(wei) ，鮑姆兄弟的理論模型並沒有完全解釋這些膜突是如何進化成薄膜的，在細胞周圍閉合形成一個(ge) 完整的外邊界或者獲得細胞膜的特征。為(wei) 了解釋這種類似細菌的細胞膜結構，古爾德和同事基於(yu) 獨立生存細菌和線粒體(ti) 定期釋放囊泡的事實，研究開發了一個(ge) 模型。2016年，他們(men) 提出，原真核生物首先獲得了線粒體(ti) （他們(men) 的理論並未具體(ti) 說明是如何獲得的），線粒體(ti) 滲出囊泡進入細胞中。這些囊泡為(wei) 進化中的真核生物構建其內(nei) 部結構和外部邊界提供了膜材料，古爾德稱，這可以解釋為(wei) 什麽(me) 真核生物的細胞膜為(wei) 什麽(me) 看起來像細菌。

　　隨著研究人員繼續培育和研究古生菌，這些最新提出的理論模型和其他相互競爭(zheng) 的模型要麽(me) 獲得支持，要麽(me) 被徹底推翻，目前科學家在實驗室成功培育幾十種微生物。巴斯·鮑姆和他的合作者正在研究古生菌的共生關(guan) 係，並分析微生物係譜，從(cong) 而進一步驗證他們(men) 的想法，Masaru Nobu和同事正在對這些觸須狀突起進行更詳細的研究，並研究其他的阿斯加德古生菌。

　　也許還有更多的證據亟待發現，例如：鮑姆兄弟預測真核生物的觸須膜還沒有完全與(yu) 外部細胞膜斷開，這與(yu) 他們(men) 理論中的中間體(ti) 相對應。這似乎是極可能存在的，暗示著人類的生存歸功於(yu) 古生菌和細菌之間一段古老的“愛情故事”，巴斯·鮑姆說：“人體(ti) 的一部分源自遠古細菌，一部分源自古生菌，還有一部分是不斷進化的結果。”

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