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作者：Yun

導言：隨著科學家對神秘古菌的了解越來越多，他們發現有關構成人、植物等的複雜細胞進化的線索。

古細菌（簡稱古菌）作為生物三界之一（另外兩界為細菌和真核生物），起源比細菌更為古老，其通常存在於深海、高溫等極端環境中。而且，它們可能是地球上複雜生命進化的關鍵。儘管真核生物和古菌可能都起源於共同的祖先，但是許多科學家懷疑是古菌促進了真核生物群的產生，例如變形蟲、蘑菇、植物和人等。

一種流行的進化理論表明，真核生物就是起源於古菌，古菌在此過程中與其他微生物融合。但是研究人員在探索這個想法時遇到了麻煩，部分原因是古菌很難在實驗室中生長和研究，以至於它們的發育和分裂方式仍然是神秘的。

近日，頂級期刊《Nature》上發表了一篇題為「The mysterious microbes that gave rise to complex life」的文章，介紹了古菌的發展歷程。

澳大利亞雪梨科技大學的分子微生物學家Iain Duggin說，在過去的十年中，關於這種神秘的微生物的出版物增長了近一倍。他說：「我們可以做一些有趣的基礎實驗，並走出重大發現的第一步。這樣我們能夠更清楚地了解最早的真核生物是如何進化的？」

威斯康星大學麥迪遜分校的Baum正在研究一種古細菌。Baum花了很多時間想像人類遙遠的祖先可能是什麼樣子？而恰巧《BioRxiv》預印本中發布了科學家花了12年培養出來的古菌。它具有觸手似的突起，其中細胞看起來像肉丸，然後上面附著了一些義大利麵條。

圖：科學家花了12年時間培養的古菌

該圖像令Baum震驚。後來它在《自然》期刊上發表，這些圖片使世界各地的微生物學家興奮不已，它們是科學家艱苦奮鬥12年的古菌成果，並被認為與真核生物的產生密切相關。

五年前，Baum和他的堂兄Buzz Baum發表了關於真核生物起源的假說。他們預測跟這張圖片神似，所以當 Baum凝視著類似義大利麵條的古菌時，他驚訝：「哦，我的天哪，我們的猜想是對的！」

謎團慢慢解開

如果真核生物確實是一個強大的古生菌，那麼科學家必須了解古生菌才能明白更複雜的細胞是如何形成的？儘管研究真核生物和細菌的科學家數十年來一直深入研究細胞分裂和生長的過程，但古菌的內部運作仍然模糊。

從土壤到海洋，所有細胞的共同點是它們分裂成更多的自己。它發生在地球上所有基於細胞的生命的共同祖先中，但是隨著有機體適應不同生態環境，這一過程開始變得不同。

研究人員可以通過觀察這種差異來探索進化。所有細胞生命機制都具有從最早的細胞繼承來的生物學共同點。相比之下，僅古細菌和真核生物或細菌和真核生物之間共享的系統暗示了哪個親本提供了真核生物的各種成分。例如，真核細胞與外部環境分離的柔性膜類似於細菌中的膜。

圖：燙手的泉水中，繁衍著一些古細菌

Duggin研究了古菌中的細胞分裂。它喜歡鹹水條件，例如死海。

儘管細菌，真核生物和古細菌之間存在巨大差異，但這些群體確實共享了幾個細胞分裂系統。在細菌中，一種稱為FtsZ的蛋白質會在細胞分裂的未來部位形成一個環。Duggin和他的合作者在火山嗜血桿菌（H. volcanii）中觀察到了同樣的現象。因此，FtsZ似乎根源於進化的基礎。

然而，在進化的某個時刻，一些古細菌將細胞分裂工作分配給了另一組蛋白質。Baum的團隊一直在研究古細菌Sulfolobus acidocaldarius。這個名稱很合適：它喜歡酸和熱。實驗室成員戴上手套以保護自己免受其中的酸性液體的傷害，並建立了一個特殊的腔室，使他們可以觀察到它在顯微鏡下分裂而沒有冷斑或蒸發的現象。

圖：科學家正在研究古細菌如何生長和分裂，Sulfolobus（左），Halobacterium（中）和Methanosarcina（右）

Baum的團隊看到了一組完全不同的蛋白質來管理分裂環。在最初發現它們的真核生物中，這些蛋白質不僅與分裂有關，它們具有更廣泛的作用：將膜在整個細胞內分開，形成囊泡以及其他小容器。這些蛋白質被稱為ESCRT（運輸所需的內體分選複合物）。在酸性嗜鹽桿菌中，研究小組發現了與管理分裂環有關的古細菌蛋白質，這表明ESCRT的早期版本是在真核生物的古細菌中進化的。

同時，FtsZ演變成真核微管蛋白，為我們的細胞賦予結構。這些發現表明，真核生物的古細菌祖先可能擁有一個用於成形和分裂細胞的試劑盒，該試劑盒可以自然選擇，然後適應更複雜的後代細胞的需要。

古細菌祖先

但是古細菌祖先是什麼樣的細胞呢？它是如何與細菌相遇併合並的？

生物學家Lynn Margulis於1967年首次提出，當一個細胞吞噬另一個細胞時，就會出現真核生物。大多數研究人員都認為，吞噬仍在繼續，但是對於何時發生以及真核生物內部隔室是如何產生的卻有不同的想法。

許多模型認為，最終變成真核細胞的細胞在遇到要變成線粒體的細菌之前已經非常複雜，具有柔性膜和內部隔室。這些理論要求細胞發展出一種吞噬外在物質的方式，即吞噬作用，因此它們可以以致命的方式捕捉經過的細菌。相比之下，Gould和其他人則認為線粒體是早期獲得的，因此它們有助於為更大，更複雜的細胞提供能量。

Baum模型是少數幾個解釋線粒體如何在不吞噬的情況下產生的模型之一。David Baum於1984年在英國牛津大學攻讀本科時首先提出了這個想法。古細菌可能會開始伸展其外膜，以增加表面積以進行營養交換。隨著時間的流逝，這些凸起可能會在細菌周圍擴散和生長，直到細菌或多或少地處於古細菌內部。同時當某些特別長的觸角在邊緣附近長大時，細胞的新外膜將形成。與古細菌前體相比，細胞變大了。

該物種是第一個從稱為Asgard古細菌的群體中進行培養的物種。2015年描述的這些生物，其基因編碼的蛋白質被許多科學家認為與真核生物非常相似。研究人員很快就懷疑真核生物的古細菌祖先類似於阿斯加德古細菌。通過指出潛在的祖母，這一發現支持了Baum的假設。

Asgard代表（尚未定名，目前被稱為Candidatus'Prometheoarchaeum syntrophicum'）在生物反應器中生長，旁邊有一對與微生物共享營養的微生物懸掛器。值得注意的是，它沒有任何複雜的內部膜或跡象，它曾經希望吞噬那些同伴。它具有三個與細胞分裂有關的系統。

當細胞停止分裂並伸出觸手時，最大的驚喜就來了。Baums暗示，這些可能會增加與古細菌共培養的微生物之間的營養交換，正如他們對祖母細胞的模型所預測的那樣。

根據他們的觀察，Nobu和他的同事們開發了一種關於真核生物如何進化的理論，該理論與Baums的思想有很多共同之處。它涉及一種微生物延伸的細絲，最終將其伴侶吞沒。Nobu說：「我喜歡我們的假設，因為它允許真核生物特有的複雜性（原子核和線粒體同時發生）」。

隨著研究人員繼續培養和研究古細菌，實驗室中現已成功培養出數十種微生物。Buzz Baum和他的合作者正在調查古細菌中的共生關係，並分析微生物家譜以進一步檢驗他們的想法。Nobu和他的同事正在更詳細地研究這些突起，並致力於其它Asgard古細菌。

可能還有更多證據等待發現。例如，Baums預測，可能有可能發現其中觸手膜尚未完全與外部細胞膜分離的真核生物。「它們既是細菌，又是古細菌，又是新發明。」Buzz Baum說道。

參考資料：

【1】https://www.nature.com/articles/d41586-021-01316-0

註：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。

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