德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队在极端环境中发现的微小生命体,正在改写地球生命演化史的认知。这些被命名为阿斯加德古菌的微生物,不仅填补了简单细胞与复杂细胞之间的演化空白,更为理解包括人类在内的所有真核生物起源提供了关键线索。

发表在《自然》杂志上的最新研究显示,通过分析63个新的基因组,科学家首次重建了这个共同祖先的完整生命图谱,从它偏好的生存温度到能量获取方式,都呈现出与现代真核细胞惊人的连续性。

这项研究始于一个看似平常的观察:传统教科书将生命划分为细菌、古菌和真核生物三大域,但新的DNA证据正在打破这一框架。研究人员发现,古菌与真核生物的亲缘关系远比之前认为的更加紧密,而在古菌中,阿斯加德超门因包含最奇特的基因组而格外引人注目。德克萨斯大学奥斯汀分校综合生物学和海洋科学副教授布雷特·贝克指出,找到共同祖先是理解微生物如何进化成真核生物这一根本问题的关键一步。

由于阿斯加德古菌极少能在实验室培养,研究团队转向自然栖息地寻找答案。他们在11个地点采集样本,从温泉到深海热液喷口,从海洋沉积物到矿物沉积层,提取DNA后使用计算技术将混合的遗传信息重建为独立基因组。贝克实验室研究员瓦莱丽·德安达形象地将这一过程比作时光机器,不是探索恐龙化石,而是通过现代微生物的基因蓝图重建它们的演化历程。

基因组扩张与代谢转变的演化路径

研究团队恢复的63个新基因组极大扩展了阿斯加德古菌的已知多样性。在海姆达尔古菌亚群中,他们发现了显著的基因组大小差异,并确定了一个新的目——霍达尔古菌目,其中包括一些最大的基因组。利用古菌和真核生物共有的蛋白质集构建进化树后,反复出现的模式表明真核生物是阿斯加德古菌中一个嵌套良好的进化枝。特别值得注意的是,真核细胞构成了霍达尔古菌目最亲近的姐妹群,这从根本上支持了复杂细胞起源于古菌域内部的观点。

通过比较基因家族并重建不同演化阶段的祖先基因组,研究人员发现阿斯加德古菌的祖先表现出很高的基因复制率,而基因丢失率与其他古菌相似或更低。这导致祖先基因组往往更大,编码更多蛋白质。霍达尔古菌目的祖先可能含有超过4000种蛋白质,而所有阿斯加德古菌的共同祖先预计含有约3100种蛋白质。华东师范大学的研究进一步将真核生物起源位置精确定位为阿斯加德古菌海姆达尔纲的姐妹类群,并推测真核细胞起源时间约在27.2亿年前,早于地球大氧化事件。

利用重建的基因组,科学家推断出祖先的生活方式经历了显著转变。最早的阿斯加德古菌共同祖先具有伍德-隆达尔途径基因,能够利用无机碳化合物构建有机分子,表明其生活方式为化能自养,从无机化学物质中获取能量。分析还显示这种祖先偏好非常高的温度,与其在炎热环境中的嗜热起源相一致。

随着进化朝海姆达尔古菌和霍达尔古菌方向发展,通往真核生物的谱系失去了伍德-隆达尔途径,转向异养方式,从有机化合物中获取能量,很可能通过发酵作用。对于与真核生物关系最近的祖先,分析表明其生活方式为嗜温,最佳生长温度介于室温和体温之间,并利用完整的电子传递链以硝酸盐为最终电子受体进行厌氧呼吸。德安达强调,这是首次寻找产生第一个真核细胞的祖先的分子蓝图,令人兴奋。

这些发现与内共生学说相互印证。内共生学说由美国生物学家琳·马古利斯系统提出,主张线粒体起源于被吞噬的好氧细菌。长期系统发育基因组学研究已基本确定线粒体内共生的宿主与古菌相关。阿斯加德古菌的发现为这一理论提供了更具体的宿主候选者,表明一个古菌宿主吞噬了一个真细菌内共生体,最终演化出现代真核细胞。

复杂性演化的分子基础

研究团队的发现表明,真核生物的阿斯加德祖先已经拥有弯曲细胞膜、运输蛋白质和组织细胞内部结构的工具包。对阿斯加德古菌的成像研究显示,肌动蛋白为细胞提供了类似于真核生物的复杂细胞骨架。许多以前被认为只有真核生物才有的蛋白质实际上在古菌中已经存在,这引出一个关键问题:这些蛋白质在古菌中发挥什么功能?

贝克指出,虽然不完全清楚基因复制在阿斯加德古菌中究竟导致了什么,但在真核生物中基因复制会导致新功能出现并增加细胞复杂性。这被认为是阿斯加德古菌促成真核生物创新进化的途径之一。2024年发表在《自然-通讯》上的研究还发现,阿斯加德古菌拥有复杂的防御系统,这些系统可能在真核生物免疫系统的起源中发挥了作用,为这一观点增添了更多支持证据。

贝克总结道,研究这些更简单的生命形式及其真核生物特征,将让人类更了解自己。阿斯加德古菌研究有助于解释像人类细胞这样复杂的生物如何从表面上看起来仍像简单微生物的东西逐渐进化而来。这些以北欧神话诸神命名的古老微生物,正在用它们的基因组讲述一个关于生命演化的宏大故事——从极端环境中的简单细胞到拥有复杂结构的真核生物,这一跨越数十亿年的演化历程,如今在分子层面被逐步解密。