地球上的⽣命为何如此复杂,这些复杂⽣物是如何进化的?直⾄今⽇,这仍是⽣物学中最大的谜团之⼀。最近,维也纳⼤学和苏黎世联邦理⼯学院的微⽣物学家通过在实验室培育⼀种特殊的古菌,朝着回答这个问题向前迈进了⼀⼤步。
科学家将⽣命主要分为三域:细菌、古菌和真核⽣物。真核⽣物包括动物、植物和真菌,是地球上最复杂的多细胞⽣物。它们的细胞通常更⼤,遗传物质被包裹在细胞核中。在真核⽣物的细胞中,有能提供能量的细胞器——线粒体,还有包含内质⽹在内的细胞膜⽹络,以及复杂的由肌动蛋⽩和微管蛋⽩组成的细丝构成的细胞⻣架。
与真核⽣物相⽐,古菌与细菌要相似得多。它们通常都没有线粒体,也没有包裹在细胞核内的DNA。⽬前,⼀种主流的进化理论假设,真核⽣物(包括动物、植物和真菌)是通过阿斯加德古⽣菌和细菌的融合⽽产⽣的。许多科学家认为,早期的真核⽣物是通过古菌和细菌的两种微⽣物的细胞合并产⽣的,源⾃于⼤约20亿年前古菌和细菌之间的密切共⽣。但这⼀观点尚未得到证实。
2015年,⼀组科学家在对深海环境进⾏研究时,从沉积物样本中发现了有着真核⽣物基因的奇怪古菌。到了2017年,科学家⼜在另外⼏种古菌中发现了类似的基因。这些古菌被统称为阿斯加德超⻔,它们被认为是系统发⽣树中,最接近真核⽣物的⼀类古菌,有望帮我们解答有关⽣命起源和⽣命复杂性的问题。
若想要通过阿斯加德古菌来解答这些问题,科学家需要直接⽤阿斯加德古菌的细胞来进⾏研究。
然⽽,过去的研究表明,这是⼀类⾮常难以在实验室培育的敏感⽣物,任何成功的培育都可能要经过数年艰⾟的反复试验。在新的研究中,研究团队成功地培养出了⼀种新的阿斯加德古菌,暂时将其命名为Lokiarchaeum ossiferum。它们来⾃斯洛⽂尼亚⽪兰海岸附近的沉积物中,在那些沉积物中有着相对较⾼的丰度,⾮常适合进⾏各项深⼊研究。
Lokiarchaeum ossiferum的培育取得了很⼤的成功。然⽽,这些新的阿斯加德古菌有着⻓⻓的触须,⾮常的“脆弱”,很难从⼀个培养瓶转移到另⼀个培养瓶中进⾏浓缩,也难以在显微镜下对它们进⾏染⾊研究。最终,研究⼈员设计了⼀种⽅法,使它们可以⽣⻓较⾼的浓度,从⽽⾜以使⽤冷冻电⼦断层成像术对其进⾏观测的浓度。
冷冻电⼦断层成像术为新培育的阿斯加德古菌的细胞结构提供了深刻的⻅解。
成像结果显示,这些新的阿斯加德古菌细胞具有复杂的细胞形状。这些细胞由圆形细胞体组成,带有许多隆起和缢痕。有时,这些隆起的触⼿状结构甚⾄会连接不同的细胞。此外,研究⼈员还在这些细胞内看到了蛋⽩丝⽹络——这是只在复杂的真核细胞中观察到过的特征,与真核细胞中构成细胞⻣架的肌动蛋⽩丝⾮常相似。这表明,在第⼀批真核⽣物出现之前,复杂的细胞⻣架结构就已经出现于古菌中了。
研究⼈员相信,这些新的古菌将有望带来进⼀步的突破性⻅解。虽然问题尚未被彻底解决,但利⽤来⾃这项研究的经验,未来研究⼈员将可以更好地培育其他阿斯加德古菌。⽽新研究所使⽤的成像法,也将可以⽤来研究阿斯加德古菌与细菌的共⽣作⽤。重要的是,利⽤这些技术,还有许多的细胞⽣物学过程可以研究,以阐明这些机制的进化起源。