新发现的古细菌或能解答真核生物起源之谜

图为汤姆·希德勒斯顿扮演的洛基。

图中从斑马到树木，都是真核生物。

线粒体是真核生物细胞的能量之源。

新浪科技讯 北京时间11月22日消息，据国外媒体报道，在大西洋中部的格陵兰岛与挪威之间的海面下方2300米处，有一块烟雾密布的黑暗区域，热水不断地从海床中涌出。这块奇怪的地方名叫“洛基城堡”，得名于外形变化多端的北欧神祗洛基（Loki），也就是汤姆·希德勒斯顿（Tom Hiddleston）在电影《复仇者联盟》中扮演的角色。

在洛基城堡附近，生活着一种与众不同的微生物。2015年，一支由瑞典乌普萨拉大学的微生物学家泰斯·艾特玛（Thijs Ettema）带领的科研团队报告称，他们在距洛基城堡约15公里处的海床沉淀物中发现了一种新型单细胞微生物的基因痕迹。该团队将这种新发现的微生物命名为“Lokiarchaeota”，简称为“洛基”。

研究发现，这种神秘的微生物其实是真核生物关系最近的近亲。从植物到真菌，从昆虫到人类，所有复杂生物都属于真核生物。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”也许将有助于我们解开人类和所有复杂生物的起源之谜。

作为神祗的洛基常常被描述为“一个极其复杂、令人困惑、性格自相矛盾的人物”。而真核生物也是如此。真核生物究竟是如何出现的？全世界的科学家都对此困惑不已。一直到几十年前，生物学家还认为地球上基本只存在两种生物：真核生物和原核生物。真核生物既包含微生物、又包含更复杂的生物形态，如蘑菇和黑猩猩等；而原核生物则完全由单细胞生物组成，其中最出名的就是细菌。

古细菌也许是所有真核生物的祖先。

真核生物的细胞结构极为复杂。

细菌在地球上无处不在。

原核生物与真核生物之间最大的不同在于细胞的复杂程度。原核生物的细胞十分简单，仅包含寥寥几种内部结构，而真核生物的细胞则复杂得多。真核生物的细胞体积也更大，通常是原核生物的十倍左右。正因为真核生物的细胞如此复杂，功能如此强大，它们才能组成像人类一样的多细胞生物。而原核生物就做不到这一点。因此，如果真核生物不曾出现的话，人类也就无从谈起了。

多年以来，人们一直认为简单生命和复杂生命之间存在一条清晰的界限。但后来一名科学家证明了地球上还存在其它的生命形式。上世纪60年代末，美国微生物学家卡尔·乌斯（Carl Woese）对微生物的DNA序列展开了研究，分析它们之间是否存在某种联系。乌斯发现，有一个基因是所有微生物所共有的，并对该基因的不同变种进行了比较。结果发现，拥有相似变种的微生物本身之间也存在密切的联系。通过这种方法，他绘制了一幅包含所有已知微生物的“家族树”。

乌斯的分析显示，原核生物主要分为两类。除细菌之外还有另一类原核生物，他将其称为“古细菌”（archaea）。和细菌类似，古细菌也是细胞结构较为简单的单细胞生物。它们的外观与细菌相似，但基因则有天壤之别。古细菌广泛存在于世界各地，许多都可以在极端条件下存活，如沸水中等等。

乌斯的家族树将生物分成了三类：细菌、古细菌和真核生物。1977年，他将研究结果发表在了期刊《PNAS》（美国国家科学院院刊）上。由于研究成果具有革命性意义，乌斯登上了《纽约时报》的封面。受到乌斯观点的启发，科学家们纷纷开始研究真核生物的起源之谜。真核生物是三种主要生物中出现时间最短的。细菌和古细菌的历史可以追溯到30亿年前，而真核生物约20亿年前才出现。

但其中的过程和原因究竟是什么呢？真核生物是否从细菌、或古细菌演变而来？真核生物的细胞又为什么比其它两种生物大那么多呢？也许最关键的线索埋藏在真核生物细胞的线粒体中。这些香肠状的细胞器是细胞的能量之源，没有了它们，真核细胞就不可能长得这么大。

在乌斯发表家族树研究的十年前，生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）提出，线粒体是从细菌演变而来的。有些细菌不知通过何种方式、进入了其它更大的细胞内部，逐渐形成了线粒体。1978年，乌斯发表研究的第二年，马古利斯的观点得到了实验验证。

这意味着，第一个真核细胞是在某个宿主细胞吞噬了一个细菌之后形成的。在此之后，它们之间便形成了长期的互利共生关系，逐渐向真核生物转化。但其中的问题也显而易见：宿主细胞究竟是什么？是另一个细菌？还是某个古细菌？要解决这个问题，最好的方法是参考乌斯的研究结果，研究真核生物的基因，看看它们更接近古细菌还是细菌。这可以为我们提供有用的线索。

图为内部含有水藻的阿米巴原虫。

图为一种名叫Pyrococcus furiosus的嗜热古细菌。

图为一枚吞噬了两个细菌的免疫细胞（图中呈绿色）。

但这个问题比你想象得更难回答。真核生物基因组中往往既有细菌基因、又有古细菌基因，此外还有一些真核生物所独有的基因。不过科学家于2010年证实，古细菌才是最初的宿主细胞。但还有一个问题：在我们已知的古细菌中，没有一种具备成为宿主细胞的资质。它们都缺少成为宿主细胞所需的基因和细胞器。“但‘洛基’的发现改变了这一局面。”艾特玛指出。

“洛基”在2015年刚刚被发现时，看上去显然是一种古细菌。但令人惊奇的是，它还具备一些与真核生物相似的特质。“它是我们发现的第一种拥有真核生物基本构造的原核生物。”艾特玛说道，“我们在它体内发现了100种仅与真核生物有关的特殊基因。”

具体来说，“洛基”的基因组中包含一些能够产生小GTPases蛋白的基因，它们对细胞的形状和运动起到了重要的作用。例如，真核细胞有用来维持自身形状的“骨架”，小GTPases蛋白的作用就是对这些骨架进行控制。它们还能产生一系列蛋白质，让细胞膜可以弯曲。

“洛基”体内存在这些基因，说明它们就像真核生物一样，也有细胞内骨架；它们还能弯曲外层细胞膜，从而将细菌吞入体内。这些特点使它们很适合作为宿主细胞，至少是我们已知微生物中最为接近的一种。

“洛基”所属的古细菌也许差点就演变成了真核生物，但还差那么一点。这个理论看似令人信服，但还存在一个严重的问题。艾特玛的研究团队仅仅在海床中发现了“洛基”的基因碎片。他们从未见过“洛基”本身的模样，也不曾在实验室中培养过它。因此，我们并不知道“洛基”体内的小GTPases蛋白发挥的作用是否与在真核生物体内相同。要想弄清这一点，我们只能对活“洛基”细胞进行研究。

但就算有人成功找到了“洛基”细胞，这一点依然很难做到。这些微生物生活在深深的海底，营养物质贫乏，微生物生长的速度极为缓慢。不过，艾特玛和同事们并没有放弃寻找“洛基”。除了海底之外，浅水沉积物、河口和热泉中似乎也有它们的存在。与此同时，其他科学家也在利用“洛基”存在的证据，改进我们对真核生物起源的了解。

发现了“洛基”之后，伦敦大学学院的细胞生物学家巴斯·巴姆（Buzz Baum）带领的研究团队针对古细菌向真核生物的演变过程提出了自己的见解。他们对“洛基”基因组中发现的类似真核生物的基因进行了研究，特别是与小GTPases蛋白相关的基因。

在真核生物细胞中，GTPases蛋白主要负责将物质运输到细胞膜内部。为了使这一过程顺利进行，每个GTPases蛋白都携带了一些“脂类”，即较小的脂肪分子，帮助它们附着在细胞膜表面。没有了这些脂类，GTPases蛋白就无法完成自己的使命。

但“洛基”的基因组中没有将脂类添加到GTPases蛋白中的相关基因。这意味着，如果真核生物的祖先就像“洛基”这样的话，它们利用GTPases蛋白的方式一定有所不同，需要通过别的方式获取这种能力。

图为一枚正在吞噬细菌（粉色）的免疫细胞（紫色）。

而细菌体内的确有类似这种负责添加脂类的前体结构，说明古细菌也许是从细菌中获取了这种能力的。巴姆指出，这不是一个一蹴而就的过程。如果古细菌中忽然加入了许多新基因，细胞生命流程就会被扰乱，也许会因此死亡。

更可能的情况是，古细菌和细菌先形成了一种稳定的合作伙伴关系，然后逐渐开始一点点交换基因物质和脂类。随着这种合作关系持续发展，它们最终会开始交换内部构造和细胞膜。也就是说，真核生物的形成经历了一个缓慢的过程。虽然也有可能发生“吞噬”细菌这样剧烈的变化，但这只是所需步骤中的一步而已。针对细菌的吞噬过程，巴姆也提出了一套清晰的理论。

通常的想法是一个“从外到内”的过程，古细菌作为宿主，将细菌“吞”进了自己体内，但由于某种原因，古细菌没能消化掉它。不过这种情况很难说得通：既然古细菌吞下了一口食物，为何不把它消化掉呢？因此，巴姆和同事戴维·巴姆（David Baum）提出了另一种理论，他将其称作“从里到外”模型。他同样假设这两个细胞之间的关系是逐渐建立起来的。

巴姆提出，宿主古细菌先是向附近的细菌伸出了“触手”，但目的并不是吞噬细菌，而是通过“触手”，实现与细菌之间的物质交换。最终，这些“触手”长得越来越多，逐渐将细菌整个包裹了起来。“这些触手逐渐融合在了一起，形成了一层连续的外膜。”巴姆手下的的博士后研究员哥塔姆·戴伊（Gautam Dey）解释道。

目前我们还无法证明巴姆的理论是否正确。但如果艾特玛找到了更多“洛基”的近亲，也许我们就能获得足够的信息、做出准确判断了。近几个月中，艾特玛找到了一些“洛基”的近亲，它们同样与真核生物有着密切的联系。该研究工作仍处在早期阶段，但他指出，这些古细菌也具有真核生物的基本组成结构。

艾特玛称，他们正在一点点地完成这幅“拼图”。等到“洛基”或其它类似的微生物被完整地分离出来，我们就能弄清它们的形成过程、以及对类似真核生物的蛋白质的利用方式了。而这反过来也将告诉我们，微生物是如何逐步演化成各类生命的。