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生物进化史上,最重要的进化之一,是20亿年前真核生物出现了!

2020-04-06  博科园

慕尼黑路德维希马克西米利安大学科学家对一组神秘单细胞生物的生态学进行了一项新研究,支持了氢在真核生物(第一个有核细胞)的进化中发挥了重要作用的观点。地球生命生物进化史上最重要的发展之一发生在大约20亿年前,第一批真核生物出现(含有独特细胞核的单细胞生物)。这第一个真核血统随后将产生包括植物和动物在内的所有高等生物,但其起源尚不清楚。

几年前,微生物学家分析了海洋沉积物中的DNA序列,这为这个问题提供了新线索。这些沉积物是在北冰洋大西洋中部山脊上一个名为洛基城堡(以北欧火神命名)的热液喷口中被发现。对它们所含DNA分子的测序显示,它们来自一组以前不为人知的微生物。虽然DNA来源的细胞不能直接分离和鉴定,但序列数据表明它们与古生代有密切的亲缘关系。因此,研究人员将这个新的类群命名为洛基考古塔。古生菌和细菌门是已知最古老的单细胞有机体谱系。

引人注目的是,洛基考古群的基因组表明,它们可能表现出其他真核生物特有的结构和生化特征。这表明洛基考古群可能与真核生物的最后一个共同祖先有亲缘关系。事实上,来自洛基城堡的洛基考古群DNA系统基因组分析有力地表明,它们是从真核生物和古生代最后共同祖先之一的后代中派生出来的。路易斯安那州立大学地球与环境科学系的威廉·奥尔西教授与奥尔登堡大学和马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家合作。

现在已经能够直接检查洛基考古群的活动和新陈代谢。这些结果支持洛基考古群和真核生物之间的关系,并为第一批真核生物进化的环境性质提供了线索,这项新发现发表在《自然微生物学》期刊上。真核生物最有可能出现的情况是,它们起源于一种共生关系,在这种共生关系中,宿主是古生物细胞,共生体是细菌。根据这一理论,细菌共生体随后产生了线粒体,线粒体是负责真核细胞能量生产的细胞内细胞器。

一种假说认为,古生菌宿主的新陈代谢依赖于氢,线粒体的前体产生了氢。这一“氢假说”假设,这两个配对细胞可能生活在富含氢的缺氧环境中,如果它们与氢源分离,它们将变得更加依赖彼此生存,有可能导致内共生事件。如果洛基考古群,作为这个假定的乌尔考古群后代,也依赖于氢,这将支持氢的假说。然而,到目前为止,这些古生物在其自然栖息地的生态状况还是个猜测。现在首次表征了从纳米比亚海岸外,广泛缺氧地区海底沉积物岩芯中提取的洛基考古塔的细胞新陈代谢。

通过分析这些样本中存在的RNA来做到这一点,RNA分子从基因组DNA复制而来,作为蛋白质合成的蓝图。因此,序列反映了基因活性的模式和水平。序列分析显示,这些样本中的洛基考古菌数量是细菌的100到1000倍。这有力地表明,这些沉积物是它们的有利栖息地,促进了它们的活动。研究人员能够在实验室的沉积物样本中,建立洛基考古群的富集培养。这使得他们能够使用碳同位素作为标记来研究这些细胞的新陈代谢。

结果表明,这些微生物利用一个复杂的代谢途径网络。此外,这些数据证实了洛基古菌确实使用氢气固定二氧化碳。这一过程提高了新陈代谢的效率,并能让这些物种保持高水平的生化活动,尽管它们的缺氧自然栖息地的能量有限。实验证据证实了第一个真核细胞的氢假说,因此,最早的真核生物可能起源于缺氧和富含氢的海洋沉积物,例如今天现代洛基考古动物群特别活跃的那些沉积物。

博科园|研究/来自:慕尼黑路德维希马克西米利安大学

参考期刊《自然微生物学》

DOI: 10.1038/s41564-019-0630-3

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