格陵兰岛与海面下方2300米处的真核生物

新浪科技 2016.11.2209:31

新浪科技讯北京时间11月22日，据外媒报道，大西洋中部格陵兰岛和挪威之间海面以下2300米处有一片漆黑、冒烟的区域，热水不断从海底升起。 出去。 这个奇怪的地方被称为“洛基城堡”，因汤姆·希德勒斯顿在电影《复仇者联盟》中饰演的挪威神洛基的多变外表而得名。

洛基城堡附近生活着一种独特的微生物。 2015年，瑞典乌普萨拉大学微生物学家蒂斯领导的科研团队报告称，他们在距离洛基城堡约15公里处发现了海底沉积物。 一种新型单细胞微生物的遗传痕迹。 研究小组将新发现的微生物简称为“洛基”。

研究发现，这种神秘的微生物实际上是真核生物的近亲。 从植物到真菌，从昆虫到人类，所有复杂的生物体都是真核生物。 这说明“洛基”可以帮助我们研究真核生物的形成过程。 换句话说，《洛基》或许能帮助我们解开人类和一切复杂生物的起源之谜。

洛基作为神经常被描述为“一个极其复杂、令人困惑和矛盾的角色”。 真核生物也是如此。 真核生物是如何出现的？ 全世界的科学家都感到困惑。 直到几十年前真核生物，生物学家还认为地球上基本上只有两种生物：真核生物和原核生物。 真核生物包括微生物和更复杂的生物形式，例如蘑菇和黑猩猩，而原核生物完全由单细胞生物组成，其中最著名的是细菌。

原核生物和真核生物之间的最大区别是细胞的复杂性。 原核细胞非常简单，仅包含一些内部结构，而真核细胞则复杂得多。 真核细胞也更大，通常比原核细胞大十倍左右。 正是因为真核细胞如此复杂和强大，它们才能形成像人类一样的多细胞生物。 原核生物不能做到这一点。 因此，如果真核生物没有出现，人类就不可能存在。

多年来，人们一直认为简单生活和复杂生活之间有着清晰的界限。 但后来一位科学家证明地球上存在其他生命形式。 20世纪60年代末，美国微生物学家卡尔·沃斯（Carl Woese）对微生物的DNA序列进行了研究，分析它们之间是否存在某种联系。 乌斯发现有一种所有微生物共有的基因，并比较了该基因的不同变体。 事实证明，具有相似变异的微生物本身密切相关。 利用这种方法，他绘制了所有已知微生物的“家谱”。

美国的分析表明，原核生物分为两大类。 除了细菌之外，还有另一类原核生物，他称之为“古细菌”（）。 与细菌类似，古细菌是细胞结构相对简单的单细胞生物。 它们看起来与细菌相似，但它们的基因却截然不同。 古细菌在世界各地都有发现，其中许多可以在极端条件下生存，例如沸水。

我们的家谱将生物分为三类：细菌、古细菌和真核生物。 1977年，他在《PNAS》（美国国家科学院院刊）杂志上发表了他的研究成果。 由于他的研究具有革命性意义，《我们》登上了《纽约时报》的封面。 受到吴斯观点的启发，科学家们开始研究真核生物起源之谜。 真核生物是三大生物中最年轻的。 细菌和古细菌的历史可以追溯到30亿年前，而真核生物大约在20亿年前才出现。

但具体过程和原因是怎样的呢？ 真核生物是从细菌还是古细菌进化而来的？ 为什么真核细胞比其他两种生物的细胞大得多？ 也许最关键的线索埋藏在真核细胞的线粒体中。 这些香肠状的细胞器是细胞的能量来源，没有它们，真核细胞就无法长得这么大。

在尤斯发表他的家谱研究的十年前，生物学家林恩·马古利斯提出线粒体是从细菌进化而来的。 一些细菌通过未知途径进入其他较大细胞的内部，逐渐形成线粒体。 1978 年，也就是 Us 发表研究成果的第二年， 的想法得到了实验验证。

这意味着第一个真核细胞是在宿主细胞吞噬细菌后形成的。 此后，它们形成了长期的互利关系，并逐渐转变为真核生物。 但问题也很明显：宿主细胞到底是什么？ 另一种细菌？ 或者一些古细菌？ 解决这个问题最好的办法就是参考美国的研究成果，研究真核生物的基因，看看它们是否更接近古菌或细菌。 这可以为我们提供有用的线索。

但这个问题比你想象的更难回答。 真核生物基因组通常包含细菌和古细菌基因，以及一些真核生物特有的基因。 然而，科学家在2010年证实古细菌是最初的宿主细胞。 但有一个问题：已知的古细菌都没有资格成为宿主细胞。 它们都缺乏成为宿主细胞所需的基因和细胞器。 “但‘洛基’的发现改变了这一状况。” 阿特玛指出。

当“洛基”于 2015 年首次被发现时，它看起来显然是一种古细菌。 但令人惊讶的是，它也具有一些与真核生物相似的品质。 “这是我们发现的第一个具有真核生物基本结构的原核生物，”阿特玛说。 “我们在其中发现了100个只与真核生物有关的特殊基因。”

具体来说，洛基的基因组包含产生小蛋白质的基因，这些蛋白质在细胞形状和运动中发挥重要作用。 例如，真核细胞有用来维持形状的“骨骼”，而小蛋白质的作用就是控制这些骨骼。 它们还产生一系列允许细胞膜弯曲的蛋白质。

“洛基”中这些基因的存在表明，它们像真核生物一样，也有细胞内骨架； 它们还可以弯曲外细胞膜，将细菌吞入体内。 这些特性使它们非常适合作为宿主细胞，至少是我们所拥有的最接近任何已知微生物的宿主细胞。

“洛基”所属的古细菌可能已经接近进化成真核生物，但还没有完全进化。 这个理论看起来很有说服力，但有一个严重的问题。 亚特玛的研究小组只在海底发现了洛基的基因片段。 他们从未见过洛基本身，也没有在实验室中培育过它。 因此，我们不知道Loki中的小蛋白是否发挥着与真核生物中相同的作用。 为了找到答案，我们只能研究活的洛基细胞。

但即使有人成功找到了“洛基”细胞，也依然是困难重重。 这些微生物生活在深海海底，营养贫乏，微生物的生长速度极其缓慢。 不过，阿特玛和他的同事们并没有放弃寻找“洛基”。 除了海底之外，它们似乎还存在于浅水沉积物、河口和温泉中。 与此同时，其他科学家正在利用洛基的证据来增进我们对真核生物起源的理解。

发现“洛基”后，伦敦大学学院细胞生物学家巴兹·鲍姆领导的研究小组对古细菌进化成真核生物提出了自己的见解。 他们研究了洛基基因组中发现的类真核基因，特别是与小蛋白质相关的基因。

在真核细胞中，蛋白质主要负责将物质转运到细胞膜内部。 为了使这个过程顺利进行，每种蛋白质都携带一些“脂质”，即较小的脂肪分子，帮助它们附着在细胞膜表面。 没有这些脂质，蛋白质就无法完成其使命。

但洛基的基因组中不包含向蛋白质添加脂质的基因。 这意味着，如果真核生物的祖先像洛基一样，他们一定以不同的方式使用蛋白质，并且需要通过其他方式获得这种能力。

细菌确实具有类似的负责添加脂质的前体结构，这表明古细菌可能从细菌那里获得了这种能力。 巴姆指出，这不是一朝一夕的过程。 如果许多新基因突然被添加到古细菌中，细胞的生命过程就会被扰乱，甚至可能死亡。

更有可能的是，古细菌和细菌首先形成了稳定的伙伴关系，然后逐渐开始一点一点地交换遗传物质和脂质。 随着这种伙伴关系的不断发展，它们最终开始交换内部结构和细胞膜。 换句话说，真核生物的形成经历了一个缓慢的过程。 尽管“吃掉”细菌等剧烈变化是可能的，但这只是所需步骤之一。 巴姆还对细菌的吞噬过程提出了明确的理论。

人们普遍认为，这是一个“由外向内”的过程，古细菌充当宿主，将细菌“吞噬”到自己的体内，但由于某种原因，古细菌无法消化它。 但这种情况很难说得通：既然古细菌吞下了一口食物，为什么不消化它呢？ 因此鲍姆和同事大卫·鲍姆提出了另一种理论，他称之为“由内而外”模型。 他还推测这两个细胞之间的关系是逐渐建立起来的。

巴姆提出，宿主古菌首先将“触角”延伸到附近的细菌，但目的并不是吞噬细菌，而是通过“触角”与细菌交换物质。 最终，这些“触手”越来越长，逐渐将细菌包围。 “触手逐渐融合在一起，形成连续的外膜，”巴姆团队的博士后研究员高塔姆·戴伊 ( Dey) 解释道。

我们还没有证明巴姆的理论是否正确。 但如果阿特玛找到了更多“洛基”的近亲，或许我们就能获得足够的信息来做出准确的判断。 近几个月来，阿特玛发现了一些与真核生物也有密切关系的洛基近亲。 这项工作仍处于早期阶段，但他指出这些古细菌也具有真核生物的基本结构。

Atma表示，他们正在一点一点地完成这个“拼图游戏”。 一旦洛基或其他类似的微生物被完全分离出来，我们将能够了解它们是如何形成的以及它们如何使用类真核蛋白质。 这反过来也将告诉我们微生物是如何逐渐进化成各种生命类型的。 （叶子）