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弥补原核与真核生物进化上的裂隙

沿北冰洋大洋中脊的沉积物中发现了一组新的古菌(archaea),一种新的生命形式可能有助于解决困惑现代生物界最持久的一个谜团。


地球上的生物皆可以被分成原核生物和真核生物两大类,前者结构简单,后者常更加复杂。这两类生物细胞间存在差别的显著,对于如何通过进化实现两者间的跨越这一问题,生物学家一直迷惑未解。这类被命名为Lokiarchaeota的新微生物,就可能构成搭建两者间桥梁的作用。


原核生物包括所有细菌和古菌(archaea),它们都是单细胞物种,最初将古菌也归为细菌,后来将其单独分列了出来。真核生物除了一些单细胞生命形式外,更多是多细胞生物,包括动物,植物和真菌等。


原核生物和真核生物这两类生命形式间差距巨大,真核细胞拥有被脂外层包裹的细胞结构,细胞核中含细胞的遗传物质;另一个重要的结构是线粒体,多数真核细胞中都存在这种细胞器,它是细胞的电厂,负责供应能量。根据广泛接受的理论,线粒体原来是细菌,逐渐掺入真核细胞中,可能是一种互惠(mutual benefit)共存的形式。


来自瑞典乌普萨拉大学的Ettema说:古菌与真核细胞是姐妹,她们拥有共同的祖先,这已经是20年来的流行模式。一些年前,在进化树上真核生物的起源归到了古菌支上,更详细一些的话,附属于一个叫做TACK古菌的组。


Lokiarchaeota就归属于TACK组,且是与真核关系最接近的原核生物类。据Ettema的研究,在大约20亿年前,Lokiarchaeota与真核生物拥有共同的祖先。这一祖先拥有一个基因的“起始套件”("starter kit"),拥有这一特性容其不断增加细胞的复杂性,进化形成今天缤纷的真核生物界。


Lokiarchaeota拥有部分编码仅在真核细胞中才出现的蛋白的基因,如支撑细胞形状和细胞运动的骨架蛋白基因。研究人员在黄石生态系统的热泉中寻找其它的Loki样(Loki-like)微生物,Lokiarchaeota中发现的这些与真核生物相同的基因并不证明它们就具有类似的功能。他们需要更多这类生物细胞,通过实验弄清楚这些基因在Lokiarchaeota中执行的功能。


“在海洋沉积物中获取这类样品并不容易,如此艰苦的环境下营养尤其匮乏,所以这些沉积物中细胞量尤其低。有些人预测在这种环境下的细胞可能要10年才分裂增殖一次,因此无法在实验室通过培养获取所需的细胞用量。”


研究人员正在其它地方寻找Loki样物种,包括在美国黄石的热泉中,和在新西兰。Ettema说他们甚至可能找到与真核生物之间拥有更近亲缘关系的Loki样物种。他们正努力重建这类物种的基因组序列,并发现复杂生命如何起源相关的其它的更多科学问题。


真核细胞进化的一个关键问题是线粒体的获取。Lokiarchaeota与其它的原核生物一样,也没有线粒体。因此,细胞何时与“能量工厂“的祖先发生了融合还是一个悬而未决的问题。


Ettema说:“获得线粒体才意味者事件的起始开始,我们在Loki中发现的这些基因给提供了一些提示”,真核生物中一个十分重要的基因是肌动蛋白(actin)。


肌动蛋白具有多种功能,其中一个就是吞噬(phagocytosis),有了这种能力细胞才能吃掉其它细胞。Ettema说他们在Loki中也找到了编码肌动蛋白的一些基因。虽然他们现在还不清楚它们在Loki中的功能,但是可以推断出Loki与真核生物共同的祖先也拥有这类基因。



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