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有些謎團可能永遠也無法解開。

撰文 | Amanda Heidt

編譯 | 黃炎

“我從哪里來？”

“我從哪里來”，這個問題和“我是誰”“我到哪里去”并列為哲學上的三大基本問題。自有人類文明以來，人們從不曾放棄對自身來源的探索。千百年來，無數(shù)文人墨客、才子佳人為之付出了鮮血與生命——好在這種事情只發(fā)生在蒙昧時代，現(xiàn)在人們只需要付出時間和頭發(fā)就可以了。目前，經過幾十代人的努力，科學家們基本把這個問題解答到了“我們從原始真核生物演化而來”這一步，但真核細胞的起源仍然撲朔迷離。所以，現(xiàn)在進化學家們要回答的問題是：

“我們從原始真核細胞生物而來，那么原始的真核細胞又從何而來呢？”

2022年，來自巴黎大學薩克雷分校?(University of Paris-Saclay) 的生物學家López-García與同事們一起踏上了繼續(xù)探究生命起源的旅程。為此，眾人前往了世界上氣候最為干燥的地方之一——灌木叢生、礫石遍地的南美洲阿塔卡馬沙漠北部的高原地帶。那里不歡迎訪客，但可能擁有關于復雜生命起源的線索。群山和沙丘的包圍之下，存活著溫暖而苦咸的小水池。氰基細菌和古細菌組成的菌毯，像千層餅一樣，一層又一層——對于它們而言，那可能是沙漠之中難得的綠洲。López-García將其稱之為“原初之森”，意即早在地球物種大爆發(fā)之前便存在的“復雜”生態(tài)系統(tǒng)。科學家們現(xiàn)在用這些微小的生態(tài)系統(tǒng)來模擬遠古的生態(tài)系統(tǒng)，因為它們產生的時間肯定不晚于真核生物首次出現(xiàn)。

菌毯可能模仿了早期地球上產生真核生物的條件。DIVERSITY, ECOLOGY AND EVOLUTION OF MICROBES (DEEM)/PURIFICACIóN LóPEZ-GARCíA

這些菌毯的每一層，都有不同種的微生物相濡以沫。占領了光和氧氣充足的地表的，主要是藍藻，它們是最早的光合放氧生物。它們的出現(xiàn)使地球的環(huán)境從低氧轉向有氧，才有了后來有氧呼吸的物質基礎——讓我們一起說“謝謝藍藻”。在這里，藍藻不僅哺育了人類，下層菌毯中，低氧環(huán)境下存在的異養(yǎng)生物以藍藻的副產物為食。菌毯的更下層墊子又黑又臭，這是缺氧環(huán)境下微生物還原硫酸鹽、生產甲烷的結果。在這里，大家活得都不容易。互相以代謝廢物為食——大家彼此之間一把屎一把尿把對方喂大。

這種一把屎一把尿的關系，科學上稱之為“互養(yǎng)共棲”或“營養(yǎng)共生”。López-García表示，這種臨時性的互利共生關系可能隨著時間的推移逐漸穩(wěn)定下來，并演化為永久性的關系——約炮約到白頭偕老，大概就是這種感覺吧。在這種環(huán)境下，不同種微生物的個體可以彼此嵌套在一起，形成一個較為穩(wěn)定的主體?？茖W家們懷疑，這種主體就是早期復雜真核細胞的雛形。在漫長的歷史中，這種最原始的“細胞”逐漸占據了主流生態(tài)位，茁壯成長為穩(wěn)定的真核細胞，而分工不同的真核細胞又以類似的方式聯(lián)合起來，最終變成了如今多種多樣的宏觀生命。這個過程被稱之為“真核發(fā)生 (eukaryogenesis)”。真核發(fā)生的定義尚有爭議，但一般指10至20億年前細胞復雜性激增的演化過程。

這段時間內，細胞核、線粒體、細胞骨架、細胞膜、葉綠體等現(xiàn)代真核細胞的一些標志性特征首次亮相。這些特征出現(xiàn)在所有真核細胞的第一個和最后一個共同祖先之間。按照首字母縮寫法，前者被稱為FECA (First Eukaryotic Common Ancestor)，而后者名叫LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor)。但是在此過程中的諸多細節(jié)仍然懸而未決。最早的真核生物長什么樣？它們可能與其他生物建立何種關系？它們的分子機制是如何運作，又如何進化？……這些謎團有待解開。對于“在哪個生命分支中萌芽”“哪些微生物參與者可能對此做出了貢獻”等重要問題，科學家們也尚未達成共識。

不過，近年來鑒定出的“阿斯加德古菌 (Asgard archaea) ”再一次激活了關于真核發(fā)生的討論。這種取名自北歐神話的古細菌是“現(xiàn)存當代真核生物最近的近親”，它為過去的討論提供了證據，又引入了新的問題。一些研究者認為，這是目前生物學上最令人興奮的發(fā)展?！叭藗儼l(fā)現(xiàn)的是如此之多，而又有如此多的預言正在被驗證”。

北歐神宮阿斯加德現(xiàn)世

2013年，拿到進化微生物學博士學位的Anja Spang在尋找一個博后崗位（譯者注：誰讓你學生物，找不到工作了吧？?。?。他的博士畢業(yè)課題研究的是一群名為Thaumarchaeota（現(xiàn)已更名為Nitrososphaerota）的古細菌。（譯者再注：你看這課題，像能找到工作的嗎？?。┰诓┦科陂g，Anja發(fā)現(xiàn)這些古細菌和一些其他古細菌的基因組包含了編碼“真核特征蛋白（eukaryotic signature proteins, ESP）”的基因。它們之所以被稱為真核特征蛋白，就是因為他們是真核細胞內的特征性蛋白，也就是說它們不應該在古細菌中出現(xiàn)——但它們就是出現(xiàn)了。帶著這一疑問，Anja Spang加入了瑞典烏普薩拉大學（Uppsala University）的Thijs Ettema教授課題組，開始了他的深海探秘之旅。（譯者本人本科即畢業(yè)于瑞典烏普薩拉大學，看到此段時表示：吃瓜吃到自己家.jpg。）

大西洋中部的洛基城堡（Loki's Castle），由五個活躍的熱泉噴口組成。（Image Credit: Centre for Geobiology BY R.B. Pedersen）

在挪威和格陵蘭之間的北大西洋海面下2300多米處，有一堆被稱為“洛基城堡”的海底沉積物，Ettema課題組打算從中提取出基因組。最開始的樣本是體積不到一茶勺的海底泥，但是在分析過程中，用來注釋和分析遺傳物質的軟件返回了奇怪的結果——這其實也還好，科研經驗表明，意料之外而不盡如人意的結果好就好在它大概率是真的。軟件標記了編碼肌動蛋白 (actin) 的基因的同源基因。肌動蛋白在真核細胞中用來維持細胞形態(tài)，是一種典型的真核特征蛋白，它顯然不該在古細菌中出現(xiàn)。所以軟件標記的同源基因來自一個新的類群。

2015年，Ettema團隊在《自然》雜志上發(fā)文，將這一基因命名為Lokiarchaeota，其中的“Loki”即致敬北歐神話中的洛基。隨后幾年中，該團隊逐漸充實了這一類群，并將其命名為“阿斯加德超系（Asgard superphylum）”，除了洛基之外，還包括以雷神、奧丁、海姆達爾等北歐諸神命名的類群——這些神都住在阿斯加德神宮，一家人最要緊系齊齊整整的啦。

此后，研究人員在上述“一家人”中發(fā)現(xiàn)了其他真核特征蛋白，比如參與了從泛素信號傳導到配子融合等各個生理過程的蛋白質的同源物。真核特征蛋白在這一家子中非常普遍，說明這些微生物可能是與現(xiàn)代真核生物最接近的現(xiàn)存原核生物。并且現(xiàn)代真核生物很可能從古細菌那里繼承了其分子運作機制。傳統(tǒng)意義上，人們認為現(xiàn)在的真核生物是古代細菌或所謂“原-真核生物”進化而來。但現(xiàn)在這種看法快要被顛覆了。大多數(shù)科學家現(xiàn)在認為，現(xiàn)存的真核細胞的共同鼻祖是阿斯加德超系的祖先，或另一群類似的古核生物（古細菌）。

2019年，研究人員首次成功培養(yǎng)了阿斯加德超系的生物，從此能夠更深入地研究這家人。他們發(fā)現(xiàn)，有一種培養(yǎng)物種個體小、長勢緩慢，每兩到三周才分裂一次；而另一些微生物可以在短短幾分鐘或幾小時內翻倍。他們將前者命名為 “Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum”（顯然這個名字來源于普羅米修斯），而Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum和另一群名叫 “Methanogenium”的古細菌緊密共生。前者通過消化氨基酸和肽獲取氮和能量，此過程中產生氫氣，氫氣又被后者所吸收利用。這一過程可以減少微環(huán)境中的氫含量，從而緩解細胞壓力。研究阿斯加德超系的科學家認為，這種共生關系可能是真核發(fā)生的一個模型。

研究人員于 2015 年從宏基因組數(shù)據中首次鑒定出阿斯加德古菌，它被認為是與現(xiàn)代真核生物最接近的現(xiàn)存原核生物。幾年后，第一個阿斯加德古菌Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum被培養(yǎng)出來，揭示了其生物學的獨特方面。HIROYUKI IMACHI, MASARU K. NOBU, AND JAMSTEC

Anja Spang表示，在其他古細菌的基因層面也檢測到了這一共生關系，但是Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum和Methanogenium的關系為此提供了堅實的證據。多年以后，已經成功上岸并在荷蘭皇家海洋研究所 (Royal Netherlands Institute for Sea Research) 建立了自己課題組的Anja回憶說：“當我第一次得知描述這種生物及其營養(yǎng)共生關系的論文終于能發(fā)表時，我打心眼兒里高興。這證明了此類試驗工作對于阿斯加德超系的代謝預測是有意義的?！?/p>

眾說紛紜的真核發(fā)生假說

這些早期的觀察結果引來了大量的研究——和灌水。在隨后的幾年里，bioRxiv上涌現(xiàn)出數(shù)百篇有關阿斯加德超系和真核發(fā)生的論文預印本。

前述發(fā)現(xiàn)最直接的影響是將真核生物和古細菌劃入了同一個域，從而將真核生物、原核生物和古細菌組成的三域生命樹模型縮減為了雙域模型。（譯者注：“域”是生物分類學中的最大單位，一個域下設有若干個界，隨后即是熟悉的門綱目科屬種；例如人類即屬于真核生物域、動物界、脊索動物門、哺乳綱、靈長目、人科、人屬、智人種……）

曾經人們認為細菌和古菌都是原核生物，但計劃生物學的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)古細菌和其他原核生物的區(qū)別越來越大，于是把古細菌獨立出來歸為古核生物。

在傳統(tǒng)的三域模型中，真核生物和古細菌雖然有共同先祖，但卻屬于不同的分支。近年來系統(tǒng)生物學領域的研究表明，復雜的真核細胞來源于古細菌。這使得真核生物和古細菌可以被劃分為同一個域。在阿斯加德超系被發(fā)現(xiàn)之前，人們就已經在爭論雙域系統(tǒng)，但阿斯加德超系為其提供了更多的證據。雙域假說也支持真核生物來自古細菌，而不是所謂的‘原-真核生物’”這一理論。

01?先有細胞還是先有線粒體？

許多科學家都相信，第一批真核生物是從古細菌和細菌之間的合作中進化而來的。在這一過程中，細菌以某種方式進入古細菌內部，并成為了細胞核、線粒體等細胞器——這是真核生物的決定性標志。此過程中的細節(jié)仍然模糊不清，但線索最有可能來自于線粒體?！熬€粒體中存在DNA，這些DNA最早可以追溯到α-變形菌 (alphaproteobacteria)?！狈▏鴩铱茖W研究中心（France’s National Centre for Scientific Research, CNRS）的進化微生物學家Laura Eme表示，“即便我們不知道這一過程的確切路線，但這已經算是實錘了?！?/p>

α-變形菌是變形菌門（Proteobacteria）下的一個綱。其內部差異極大，相似之處極少，俗稱“散裝綱”。α-變形菌大多都呈革蘭氏陰性，典型成員有根瘤菌等植物共生菌、沃爾巴克氏體等內共生細菌，以及立克次體等胞內寄生菌。有人認為α-變形菌處在轉化為細胞器的路上，而目前的細胞器則是已經上了岸、在胞內有了“編制”的α-變形菌。

八卦即使有了實錘，吃瓜群眾也要扒一扒細節(jié)——科學家也一樣。關于α-變形菌在細胞內“考編上岸”的這一過程，一直存在著不同甚至彼此對立的假說。α-變形菌是怎么進入細胞里的？科學家們咂摸了半天，也沒搞明白：胞吞過程需要消耗巨大的能量，對于這么一種堪稱奢侈的生理功能，究竟是先有了線粒體為這一過程供能，細胞才演化出胞吞功能，還是先有了胞吞功能，才能把線粒體吞進細胞內？所以科學家們分成 “先有線粒體”和“先有胞吞”兩派，在學術期刊上展開了唇槍舌劍。無論如何，長久以來在原核生物身上是沒有觀察到胞吞這一功能的。

直到最近，研究人員在一種細菌身上發(fā)現(xiàn)了一種“類胞吞作用”。Laura Eme對此評價道：“很多人覺得從前原核生物不能胞吞，所以線粒體的祖宗不可能是被吞進細胞的。但是現(xiàn)在，至少我們知道原核生物可以胞吞了?！?/p>

生物和化學這種學科折磨人的地方就在這里——和數(shù)學、物理等簡潔明快的公式化學科不同，化學和生物總是充滿了例外。打個比方說，數(shù)學和物理對于“北京人”的描述可能是“身份證號110開頭的是北京人”，不管這個說法對不對，好歹有一個明確的判斷標準。而化學和生物的說法則更接近于“愛喝豆汁兒的人是北京人，但是我們發(fā)現(xiàn)了有些人確實在北京出生卻不愛喝豆汁兒，所以我們將其定義為‘廣義的北京人’，而將傳統(tǒng)上定義的北京人稱為‘經典北京人’；現(xiàn)在我們有了‘超北京人域’，其下可以分為‘經典北京人’和‘非經典北京人的廣義北京人’兩界；隨后我們又發(fā)現(xiàn)了一些人也愛喝豆汁兒但卻不是北京人，所以我們將其稱之為‘擬北京人’……”

此外，對阿斯加德超系的初步觀察還發(fā)現(xiàn)了一種另外的吞噬機制。當科學家第一次培養(yǎng)Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum時，他們注意到了胞體表面的一些細長突出部——被稱之為“泡”的膜結構的延伸。在上文所述的肌動蛋白同源物的協(xié)助下，這些氣泡可能能夠包圍一個外部實體并融合在一起，從而將外物包在里面。如此一來，有關吞噬作用的難題“越來越不是事兒了”。也就是說，α-變形菌很有可能是被“吞”進原核生物里變成線粒體的。

02?細胞核是怎么出現(xiàn)的？

但是，當談到細胞核時，事情就不那么清楚了。一般認為，真核生物有別于原核生物的最典型特征是“有細胞核”。而有關細胞核生成的猜想范圍很廣，從“變形蟲體內寄宿的細菌”到“遠古巨型病毒的殘留”，不一而足。上世紀90年代，López-García針對真核生物的起源提出了“營養(yǎng)共生假說”，假設兩種細菌與一種古細菌之間存在共生關系。

阿斯加德超系被發(fā)現(xiàn)后，López-García和她的同事幾年前更新了這一假說。他們并未將古細菌作為原始宿主，而是提出了一個“始祖菌”的概念。在他們的假說中，“始祖菌”是一種與阿斯加德超系中生物類似的、能夠產生氫氣的古細菌，也是最初的細胞核。而接受這樣一顆“細胞核”的宿主大概率是一類δ-變形菌，也即線粒體和α-變形菌的祖宗?，F(xiàn)代真核生物中的大多數(shù)基因實際上源自細菌，而不是古細菌；組成真核細胞細胞膜的脂質在結構和成分上更接近于細菌而非古細菌（這一現(xiàn)象稱為“脂質分離”（lipid divide））——這些事實都能支持他們的假說。而他們的假說也是迄今為止唯一一個既能解釋細胞核的起源，又能解釋脂質分離現(xiàn)象的假說。

Michelle Leger是巴塞羅那進化生物學研究所 (Institute of Evolutionary Biology in Barcelona) 進化微生物學領域的一位博士后，他的主要工作是對現(xiàn)存古細菌基因組進行溯源，用以支持或反對目前的各類假說。對于López-García等人提出的“營養(yǎng)共生假說”，Leger表示，線粒體中有清晰的α-變形菌的基因組信號，但他還沒有發(fā)現(xiàn)細胞核中有δ-變形菌的類似信號。

Leger也認為目前的證據確實支持“細胞核的起源是古細菌”這一論斷。雖然古細菌的基因只在現(xiàn)在的核基因組中占一小部分，但是這些基因很多都高度保守，例如負責DNA復制和轉錄的基因很大程度上來自于古細菌。因此，Leger相信“這些假說是有意義的，只是我們至今尚不清楚還有哪些生命體參與了這些進化過程?！?/p>

解讀真核發(fā)生的新途徑

很多科研人員表示，縱然已測序到的細菌和古細菌物種數(shù)正在飛速增加，為厘清此類生物與早期真核發(fā)生的關系提供了新的線索，但令人遺憾的是，此領域的很多問題可能永遠不能得到完美的解答了。

真核生物已經出現(xiàn)了太久太久，太多的基因在太多的物種之間交換、傳遞?？茖W家不可能將所有東西拼湊在一起，但他們依然在嘗試。目前學術界廣為采用的研究方法包括組學、分子生物學、化石研究等。

下一個灌水的好地方將會是現(xiàn)代真核生物基因組和蛋白質組的功能研究。研究了功能，就可以提示單個基因和蛋白質在早期祖先中的行為。幾年前，只有一個阿斯加德超系基因組，但現(xiàn)在已經有數(shù)百個這樣的群體，研究人員正在發(fā)掘它們的細節(jié)。“現(xiàn)在我們清楚地知道真核生物中的哪些基因是從阿斯加德古細菌那里遺傳的，這里有很多新奇的東西，”Laura Eme說，“但我們不知道的是，這些基因曾經在阿斯加德超系中做了什么，又正在做什么——這也正是關竅所在。

還記得前面提到的，古菌中有編碼真核肌動蛋白基因的疑似同源基因嗎？2020年，研究人員合成了阿斯加德超系基因組中的這類同源基因。他們將這些同源物注射到兔細胞中，發(fā)現(xiàn)它們可以與真核肌動蛋白結合并執(zhí)行類似的功能，例如輔助鈣離子跨膜。這說明，在真核生物出現(xiàn)之前，鈣控制的肌動蛋白細胞骨架可能就存在于古細菌中。

除了培養(yǎng)古菌來研究功能，還有人直接研究“小微化石”。所謂小微化石，就是巖石中早期細胞的顯微印跡。加州大學圣塔芭芭拉分校 (University of California, Santa Barbara) 的古生物學家Susannah Porter就認為化石研究同樣可能揭示真核發(fā)生的途徑。她說，當宏基因組測序出現(xiàn)時，化石似乎失寵了，但許多系統(tǒng)發(fā)育樹依賴于一種叫做“分子鐘”（molecular clock）的方法，即，用化石來錨定分析時間。此外，化石本身可能也有用處，它們能夠幫助科學家確定某些外部特征在何時首次出現(xiàn)。而Porter正在研究的標本就可以確定早期真核生物進化過程中一些事件的發(fā)生順序?！拔覀兇_實收藏有過去20億到10億年的化石，它們并沒被物盡其用。也許我們可以利用化石的這些特征來拼湊真核細胞的成因?！笨傊壳皝砜?，雖然基因組學和分子生物學已經發(fā)展到了一定高度，但傳統(tǒng)的化石證據依然在微生物進化學和真核發(fā)生領域的研究起著重要的作用。

7.5億年歷史的微化石 Valeria lophostriata

COURTESY OF SUSSANAH PORTER

為了避免“孤證不立”，科學家們也在尋找別的證據，用來為化石證據提供佐證。例如，荷蘭烏得勒支大學 (Utrecht University) 的計算生物學家Berend Snel最近使用了一種名叫“基因重復段落”的方法進行研究。這種方法假設系統(tǒng)發(fā)育樹（phylogenetic tree）上的各個分支的長度與其發(fā)育時間相關。然而這一方法備受爭議，以至于Snel本人都不得不承認其可能存在缺陷。但Snel也表示，進化是一個連續(xù)的過程，當且僅當人們將這一漫長過程中的一個個小片段連綴起來之后，真實而完整的進化圖譜才會展示在人們面前。

Michelle Leger也同意的一點是，現(xiàn)階段人類對真核發(fā)生的理解還如同嬰兒對世界的理解一般?！斑@些深層進化問題的部分性質是，我們永遠不會知道，也永遠不會有一個明確的證據來證明我們的假設，但這并不妨礙我們繼續(xù)完善我們的想法。

另類假說：病毒才是祖先

關于細胞核起源的很多內容都是推測性的。有一種假說認為，現(xiàn)代真核生物的細胞核可能來自原核宿主和病毒之間的合作關系。

在21世紀之初，日本名古屋大學醫(yī)學院 (Nagoya University School of Medicine in Japan) 的分子生物學家Masaharu Takemura注意到，一組病毒（痘病毒）的DNA聚合酶與真核生物中發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶非常相似，并且痘病毒通過創(chuàng)建“獨立隔間”在宿主細胞內復制。與此同時，生物技術公司MicroBioGen的研發(fā)主管Philip Bell同樣對真核生物和細菌之間的差異感到困惑。例如，真核染色體是線性的，而細菌染色體是環(huán)形的。細胞核的許多特征并不支持細菌起源。這兩名研究人員都在2001年前后腳發(fā)表了各自的論文。并且這兩個課題組在得知阿斯加德超系及其研究成果之后，都更新了自己的病毒起源假說。

此后，研究人員鑒定出了2003年首次發(fā)現(xiàn)的巨型病毒，這些病毒比大多數(shù)病毒大得多，具有足夠大的基因組，且組內有與各種代謝過程相關的基因。現(xiàn)在，Masaharu Takemura、Philip Bell等人認為這種巨型病毒可能是最初的細胞核。巨型病毒在復雜的隔室中復制，這些隔室看起來與現(xiàn)代細胞核非常相似。它們都很大，也都包含內膜和外膜，并且還都攜帶了編碼宿主細胞運行所需的蛋白質的基因。

然而，“細胞核可能來自一種病毒”的觀點一直很難推銷出去。它缺乏結構性證據，也缺乏現(xiàn)有數(shù)據的支持。不過，研究早期原核生物代謝的微生物學家Valerie De Anda并沒有因為“病毒假說”目前缺乏證據支持而被嚇退。她和她的同事們目前正在尋找參與轉錄和翻譯的mRNA封端基因。他們認為這些基因來自很久以前的“第一個真核生物細胞核的祖先”。

當談到自己的理論不被科學界所普遍承認時，Valerie De Anda不免有些懊惱。這使她不由得想起了自己上學的時候老師教過的一首中國的古詩：

自小刺頭深草里，

而今漸覺出蓬蒿；

時人不識凌云木，

直待凌云始道高。

參考文獻

[1] Shiratori, T., Suzuki, S., Kakizawa, Y. et al. Phagocytosis-like cell engulfment by a planctomycete bacterium. Nat Commun 10, 5529 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13499-2

[2] Martin William F., Garg Sriram and Zimorski Verena (2015) Endosymbiotic theories for eukaryote originPhil. Trans. R. Soc. B3702014033020140330 http://doi.org/10.1098/rstb.2014.0330

[3] Moreira, D., López-García, P. Symbiosis Between Methanogenic Archaea and δ-Proteobacteria as the Origin of Eukaryotes: The Syntrophic Hypothesis. J Mol Evol 47, 517–530 (1998).

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