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新发现的古老微生物家族改变了生命树

2020-11-15 12:51 主页 来源:未知
新发现的古老微生物家族改变了生命树

一个新发现的古老微生物家族改变了生命树,以及人类在其中的位置。

洛基(Loki)是挪威神话中法力无边的魔法师,就连众神也难以对付他。他住在一个神秘的城堡中,城堡周围环境恶劣、妖氛弥漫。这就怪不得,2008年一个研究小组在挪威海海底找到一组热液喷口时,把那个地方命名为“洛基城堡”了,因为那里同样也是神秘而险恶的处所。

让人没想到的是,环境如此恶劣的洛基城堡里生活着一些奇怪的微生物(被称为“洛基菌”)。这些微生物很快在生物学界挑起事端。它们除了有助于揭示进化史上最大的谜团之一——复杂生命的起源,更重要的是,洛基菌的发现,重新引发了一场关于生命树的大争论:生命树底部到底有几个分支?

教科书上的三域生命树

在生物学上,人们采用生命树的形式来直观描述各个物种的进化和相互之间的关系。生命树从下到上,按物种出现的时间排列。由于所有地球生命都拥有共同的祖先,所以生命树的根部就代表这个共同祖先,然后像树一样不断往上长,长出一个个枝丫,大枝丫上又分出小枝丫,以此来代表各个物种。

教科书会告诉你,在35亿年前,当细胞在地球上出现之后不久,生命就分化出三个分支。第一个是细菌。第二个是古细菌。古细菌跟细菌同样简单,但生活在某些极端恶劣的环境中。第三个分支叫真核生物。不同于细菌和古细菌,真核生物细胞内部已经含有较为复杂的结构。所有的动植物和真菌,都是从最早的真核生物进化来的。

这三个分支又叫“域”。教科书上的生命树有三个域,为便于区别,我们不妨称之为“三域生命树”。

二域生命树假说

不过,在洛基菌发现之前,人们就对这种描述产生了怀疑。早在1980年代,在意大利的硫磺温泉中发现了一种叫“泉古菌”的古细菌。虽然名为古细菌,但它们似乎与真核细胞有着许多共同的特征。

奇哉怪也!在那之前,古细菌和真核生物被认为是截然不同的生物。

这些相似之处表明,古细菌和真核生物在进化上存在着密切的联系。这导致美国生物学家詹姆斯˙莱克提出生命树的另一个版本。他认为,地球生命最开始进化出两大分支,或者说只有两大域:细菌和古细菌。而真核生物只是古细菌的次一级分支。

这一说法与生物学家现在接受的鸟类是恐龙的进化分支大致相当。麻雀看起来可能不像恐龙,但严格说来它是恐龙的后代。同样,莎士比亚或爱因斯坦似乎与生活在泥沼中的产烷菌(一种古细菌)没有什么共同点——但按莱克的说法,它们都属于古细菌域。

很遗憾,莱克的二域生命树假说当时一直没引起人们的重视。

支持二域假说的新证据

10年前,这个假说引起英国生物学家马丁·恩伯莱的兴趣,他想寻找更多的证据。但对生命起源的研究所面临的一个难题是,数十亿年前存在的单细胞生命早已消亡,连痕迹都没留下,所以只能研究当今的生物。

公平地说,通过研究当今的生物来重构发生在35亿年前的进化事件并不容易。考虑到在不同域的生物体之间,DNA片段通常会发生水平迁移,而不单单是垂直的代系遗传,这项任务变得尤为困难。

DNA片段的水平迁移是什么意思?我们知道,遗传物质一般都是从父代传给子代,沿着代系垂直传播。比如你身上的基因,就完全来自你的父母亲。你虽然每天吃各种不同植物和动物,但它们的基因可不会跑到你的DNA上。但对于单细胞生物,遗传物质不仅可以垂直传播,还可以发生水平传播。假如它们吞吃了别的微生物,偶尔也会发生这种情况:其他生物的基因被直接整合到它们自己的DNA上——这叫基因的水平迁移。

由于存在基因的水平迁移,你要想通过DNA追溯微生物的祖先,就变得复杂和困难了。但恩伯莱等人想出一个办法。他们选择了一些难以水平迁移的基因做研究。例如,有些酶对于某种微生物是如此重要,使得它无法轻易地将它的基因替换成其他微生物携带的基因;因此,负责制造这种酶的基因抵制水平迁移,只能来自代系的垂直遗传。

恩伯莱和他的小组分析了现存的细菌、古细菌和真核生物中很难水平迁移的几十个基因,以找出这三组基因之间的相互关系。

研究结果强烈支持莱克的二域假说。

小贴士:生物学上的分类

域是对生物最初级的分类,在它下面还可再细分为界、门、纲、目、科、属、种。

以现代人为例,其属于真核生物域,动物界,脊椎动物门,哺乳纲,灵长目,人科,人属,智人种。

寻找过渡类型

对于学者来说,他们的眼光是很挑剔的。比如,之前已有大量证据表明鸟类和恐龙的渊源关系,但直到1990年代有羽恐龙化石的出现,才最终说服了那些不相信恐龙和鸟有联系的人。同样,要想说服更多的人,二域学说的倡导者也需要找到在古细菌和真核生物之间起过渡作用的物种。虽然,洛基菌来得正是时候。

生物学家对从洛基城堡附近海底沉积物中采集来的DNA进行了测序。他们发现,这些DNA片段一部分是古细菌共有的,但也携带了几十个我们先前认为是真核生物特有的基因。这几十个基因中,有的能帮助真核生物在细胞内用膜隔离出小室,而我们知道,真核细胞的一个最显著的特征是有细胞核——细胞核就是用核膜隔离出来的一个小室。另一个重要发现是,有的基因帮助真核细胞吞噬较小微生物。许多生物学家认为,真核生物之所以变得庞大和复杂,是因为它们身上拥有一座“能量工厂”——线粒体。主流观点认为,线粒体起源于远古时代被真核生物吞噬的细菌。

这样看来,洛基菌正是填补古细菌向真核生物进化的过渡类型。不过,这样的过渡类型生物不只有洛基菌。自2015年以来,研究人员在世界各地,如罗马尼亚的湖泊、澳大利亚的层叠石、新西兰的热液喷口和美国的黄石国家公园,发现了更多类似洛基菌的微生物。包括洛基菌,它们被统称为阿斯加德菌(阿斯加德是挪威神话中另一个神秘人物)。

面对这些证据,原先对双域说持怀疑态度的研究人员也愿意承认,洛基菌(更广泛地说,是阿斯加德菌)与真核生物关系密切。但他们又产生另一种质疑:阿斯加德菌真的是一种古细菌吗?也许它们只是外表上像古细菌,实际上却是一个独立的生物域呢(就像古细菌虽然与细菌外表上相似,却分属不同的域)?

培养活的阿斯加德菌

要回答这个质疑,需要培养一种活的阿斯加德菌,以便观察它们的特征和行为。因为之前,科学家并未见过一个活体,这些微生物都是通过DNA技术鉴定出来的。但在实验室培养它们殊非易事,因为我们对它们生活习性缺乏了解。

尽管有着这样的困难,好消息还是不期而至。2019年,日本一个小组宣布,他们已经分离并培养出一种从日本南部海底采集的阿斯加德菌。他们采用希腊神话而非挪威神话,将其命名为“普罗米修斯菌”。

在电子显微镜下,普罗米修斯菌有着长长的触手。在远古的时候,这些触手可能让它的祖先能够将其他微生物揽入体内,使其变成自身的一个细胞器——线粒体,从而迈出向真核生物进化的第一步。研究还表明,普罗米修斯菌不能独立生活,只能与其他微生物群落一起生长。这种密切的合作关系也可能导致普罗米修斯菌的祖先吞并其它的微生物。

不过,“阿斯加德菌到底算不算古细菌”这个问题目前依然难以回答。没错,没有一种已知的古细菌有着像普罗米修斯菌那样的长触手,似乎可以下判断:普罗米修斯菌不是古细菌。但问题是,普罗米修斯菌只是阿斯加德菌里的一种,其他阿斯加德菌是不是也都长有触手,我们不得而知。要想回答这个问题,还有赖于对更多阿斯加德菌的培养和观察。

我们不妨设想一下未来的结果:假如阿斯加德菌是古细菌,那么二域生命树假说就没什么悬念了。这二域是细菌和古细菌,真核生物仅作为古细菌的进化分支。假如阿斯加德菌不属于古细菌,那么生命树的三域说将依然成立,只不过此时旧瓶里已装了新酒,这三个域是:细菌、古细菌和阿斯加德菌,而真核生物将以阿斯加德菌的分支的形式出现在生命树上。

不论是生命树是二域还是三域,看来我们都要跟一群古怪的微生物(不论古细菌还是阿斯加德菌,都很古怪)合写一本家谱了。因为我们就是这支古怪枝丫上的叶子。