慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)科學(xué)家對一組神秘單細胞生物的生態(tài)學(xué)進行了一項新研究，支持了氫在真核生物（第一個有核細胞）的進化中發(fā)揮了重要作用的觀點。

地球生命生物進化史上最重要的發(fā)展之一發(fā)生在大約20億年前，第一批真核生物出現(xiàn)（含有獨特細胞核的單細胞生物）。這第一個真核血統(tǒng)隨后將產(chǎn)生包括植物和動物在內(nèi)的所有高等生物，但其起源尚不清楚。

幾年前，微生物學(xué)家分析了海洋沉積物中的DNA序列，這為這個問題提供了新線索。這些沉積物是在北冰洋大西洋中部山脊上一個名為洛基城堡（以北歐火神命名）的熱液噴口中被發(fā)現(xiàn)。對它們所含DNA分子的測序顯示，它們來自一組以前不為人知的微生物。雖然DNA來源的細胞不能直接分離和鑒定，但序列數(shù)據(jù)表明它們與古生代有密切的親緣關(guān)系。因此，研究人員將這個新的類群命名為洛基考古塔。古生菌和細菌門是已知最古老的單細胞有機體譜系。

引人注目的是，洛基考古群的基因組表明，它們可能表現(xiàn)出其他真核生物特有的結(jié)構(gòu)和生化特征。這表明洛基考古群可能與真核生物的最后一個共同祖先有親緣關(guān)系。事實上，來自洛基城堡的洛基考古群DNA系統(tǒng)基因組分析有力地表明，它們是從真核生物和古生代最后共同祖先之一的后代中派生出來的。路易斯安那州立大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系的威廉·奧爾西教授與奧爾登堡大學(xué)和馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的科學(xué)家合作。

現(xiàn)在已經(jīng)能夠直接檢查洛基考古群的活動和新陳代謝。這些結(jié)果支持洛基考古群和真核生物之間的關(guān)系，并為第一批真核生物進化的環(huán)境性質(zhì)提供了線索，這項新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然微生物學(xué)》期刊上。真核生物最有可能出現(xiàn)的情況是，它們起源于一種共生關(guān)系，在這種共生關(guān)系中，宿主是古生物細胞，共生體是細菌。根據(jù)這一理論，細菌共生體隨后產(chǎn)生了線粒體，線粒體是負責(zé)真核細胞能量生產(chǎn)的細胞內(nèi)細胞器。

一種假說認為，古生菌宿主的新陳代謝依賴于氫，線粒體的前體產(chǎn)生了氫。這一“氫假說”假設(shè)，這兩個配對細胞可能生活在富含氫的缺氧環(huán)境中，如果它們與氫源分離，它們將變得更加依賴彼此生存，有可能導(dǎo)致內(nèi)共生事件。如果洛基考古群，作為這個假定的烏爾考古群后代，也依賴于氫，這將支持氫的假說。然而，到目前為止，這些古生物在其自然棲息地的生態(tài)狀況還是個猜測?，F(xiàn)在首次表征了從納米比亞海岸外，廣泛缺氧地區(qū)海底沉積物巖芯中提取的洛基考古塔的細胞新陳代謝。

通過分析這些樣本中存在的RNA來做到這一點，RNA分子從基因組DNA復(fù)制而來，作為蛋白質(zhì)合成的藍圖。因此，序列反映了基因活性的模式和水平。序列分析顯示，這些樣本中的洛基考古菌數(shù)量是細菌的100到1000倍。這有力地表明，這些沉積物是它們的有利棲息地，促進了它們的活動。研究人員能夠在實驗室的沉積物樣本中，建立洛基考古群的富集培養(yǎng)。這使得他們能夠使用碳同位素作為標記來研究這些細胞的新陳代謝。

結(jié)果表明，這些微生物利用一個復(fù)雜的代謝途徑網(wǎng)絡(luò)。此外，這些數(shù)據(jù)證實了洛基古菌確實使用氫氣固定二氧化碳。這一過程提高了新陳代謝的效率，并能讓這些物種保持高水平的生化活動，盡管它們的缺氧自然棲息地的能量有限。實驗證據(jù)證實了第一個真核細胞的氫假說，因此，最早的真核生物可能起源于缺氧和富含氫的海洋沉積物，例如今天現(xiàn)代洛基考古動物群特別活躍的那些沉積物。

博科園｜研究/來自：慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)

參考期刊《自然微生物學(xué)》

DOI: 10.1038/s41564-019-0630-3

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