真核生物屬于古細菌嗎--中國數字科技館
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真核生物屬于古細菌嗎

真核生物屬于古細菌嗎(科學播報) 0:00/0:00
最新發布時間: 2020-03-28
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圖源:pixabay

  生命之樹的基礎分為三個領域。其中一種被細菌占據——沒有細胞核或膜結合細胞器的單細胞微生物,并通過揮舞稱為鞭毛的發狀結構而運動。另一個是真核生物,其細胞具有細胞核和膜。該域包括我們人類,動物,植物和藻類。還有一種是古細菌。古細菌很像細菌,因為它們同樣缺乏細胞核和與細胞膜結合的細胞器,并且可以利用鞭毛四處游蕩。但是有一些關鍵差異,它們的細胞壁和RNA差異足以將它們分離到不同的生命枝丫上。

  早在一百多年前,就誕生了一種被稱為內共生學說的生命起源假說,該學說認為,真核細胞中的線粒體和葉綠體等細胞器,起源于共生于真核生物細胞中(之內)的原核生物。線粒體起源于好氧性細菌,而葉綠體源于內共生的光合自養原核生物的藍細菌。

  新的研究表明,該假說可能進化為一個更激進的解釋。今年,微生物學家朝著解決關于真核生物起源的爭議邁出了重要的一步。新的研究結果可能會將生命領域從三種(古細菌,真核生物和細菌)縮小到兩種:細菌和古細菌,而真核生物被簡化為古細菌的一個子集。但是鑒于證據不足,許多研究人員對此表示懷疑。

真核生物 圖源:pixabay

  許多科學家認為,阿斯加德(Asgard)古細菌的祖先帶來了真核生物的生命。大約20億年前,阿斯加德的親緣生物將細菌包裹起來,后來又演變成線粒體。

  早在2010年,當科學家對北冰洋海底沉積物核進行DNA分析時,他們就有了令人驚訝的發現。先前未知的屬于古怪微生物領域的生物稱為古細菌,它們似乎具有與完全不同的領域——真核生物相關的基因組特征。

  2015年,埃特瑪(Ettema)和他的同事們在格陵蘭島沿海海底熱液噴口場洛基城堡附近的泥漿中發現了神秘微生物的樣本。他們回收了散布有真核生物樣基因的古細菌基因組,不久之后,其他實驗室發現了類似的古細菌。

  直到現在,科學家們還是從這些樣本的孤立遺傳片段中整理譜系。

基于基因組的生命樹,圖源:Wikipedia

  經過12年的嘗試,日本的一個研究小組成功地從深海沉積物中培育出了神秘微生物,并對其基因組進行了測序。這種生物為Prometheoarchaeum syntrophicum菌株MK-D1,是最近被認可的阿斯加德微生物群的成員,這些微生物不是細菌,而是一種完全獨立的生命分支,稱為古細菌。

  這種奇怪的生物最初是從日本沿海海拔2500米深的Omine Ridge中提取,被埋在深海淤泥中。為了模擬海床的惡劣條件,日本海洋地球科學技術局的微生物學家們建造了一個生物反應器來容納海底泥漿,并不斷將其浸入甲烷氣體中。五年后,他們將樣品刮入裝有各種營養物質的玻璃管中,靜待其萌芽。

圖源:文獻[4]

  一年后,他們發現其中一個樣本表面上長有細菌,但在遺傳上卻截然不同,其中的微生物卻在生長。這些是他們所希望的阿斯加德古細菌。在接下來的六年中,他們致力于分離和培養純生物樣品,他們發現需要14到25天才能使培養的細胞倍增。相比之下,大多數細菌在一小時內就會翻倍。

  研究人員選擇用普羅米修斯(Prometheus)命名,是因為這位希臘神從泥漿中雕琢了人類。

  令人驚訝的是,這些片段包含的基因以前被認為僅在真核生物中發現,而真核生物是具有細胞核和細胞器的細胞,如線粒體。比較DNA分析表明,阿斯加德或其古老的親緣生物甚至可能產生了真核生物。

  研究還發現,微生物似乎與某些細菌結合在一起生長最好,并且它形成的短觸手可能會吞噬細菌伴侶。如果是這樣,那可以解釋它如何獲得成為線粒體的微生物。

  今年的其他研究已從研究組其他成員的DNA片段中鑒定出更多的真核基因。來自DNA的有關阿斯加德代謝的信息也支持二域假說,而不是三域。支持這兩種觀點的人都同意,但是,將近30億年前發生的事件將難以重構,而且隨著對阿斯加德的研究,新的想法也可能會出現。但是現在有了研究對象,研究人員可以更清晰地了解遙遠的過去與生命的起源。

  

原創稿件

制作 楊梟 中國科學院大學

審校 魏瀟 中山大學神經科學博士/中國科學院心理學研究所 博士后研究員

 

參考文獻:

[1] https://www.nature.com/articles/nature21031

[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28077874

[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6646929/

[4] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/726976v2


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