海底古菌帶來真核生物起源新線索

　　如果把地球生命比作一棵不斷分叉的大樹，真核生物無疑是其中重要的一支。植物、動物和真菌都屬于真核生物，它們的細胞擁有細胞核、線粒體等復雜結構。這樣的細胞究竟是怎樣出現的，一直是生命科學領域的重要問題。

　　據英國《自然》網站報道，近年來，一類名為阿斯加德古菌的微生物成為研究這一問題的關鍵。它們生活在海洋沉積物等環境中，個體微小，生長緩慢，卻擁有不少與真核生物相似的基因。科學家據此提出，真核生物的祖先可能來自與阿斯加德古菌相近的古菌。

　　過去，人們主要通過環境樣本中的DNA認識這些微生物。如今，科學家已經陸續培養出多種阿斯加德古菌，開始直接觀察它們的細胞。顯微鏡下出現的一些結構，讓人們對復雜生命誕生的過程有了新的認識。

　　從DNA里發現的古菌線索

　　2015年，科學家在北大西洋海底沉積物中發現了阿斯加德古菌。這個名字來自北歐神話中的阿斯加德，因為最初發現它們的地點與“洛基城堡”熱液噴口有關。當時，他們并沒有直接把這種微生物分離出來，而是通過環境DNA測序獲得了相關遺傳信息。此后，科學家又在世界各地發現了數百種阿斯加德古菌。

　　基因組分析很快帶來了重要線索。阿斯加德古菌擁有許多過去被認為是真核生物特有的蛋白質編碼基因，這些蛋白質與細胞骨架、細胞膜以及細胞內部物質運輸等過程有關。由此，科學家推測，阿斯加德古菌可能與真核生物的祖先存在密切關系。

　　但基因組只能告訴科學家這些古菌擁有哪些基因，卻無法直接說明這些基因在細胞中如何發揮作用。要弄清這一點，還得把它們真正培養出來，觀察它們的細胞結構和活動。

　　于是，培養阿斯加德古菌成了科學家面對的一道難題。

　　養一株古菌要等上幾年

　　與實驗室常見的大腸桿菌相比，阿斯加德古菌很難培養。它們數量少、生長慢，而且對氧氣十分敏感。有些種類還需要與其他微生物共同生存。研究人員往往要不斷調整溫度、營養條件和培養環境，經過數月甚至數年，才能獲得比較穩定的古菌。

　　直到2020年，日本研究人員花了12年時間，才將一種阿斯加德古菌培養出來。隨后，奧地利、澳大利亞等地的研究團隊也陸續獲得了新的古菌種。

　　以前，科學家只能從DNA序列推測阿斯加德古菌可能擁有怎樣的細胞結構。現在，他們終于能夠把這些細胞放在顯微鏡下仔細觀察。

　　在顯微鏡中最醒目的結構，是從細胞表面伸出的細長突起：有的像觸手，有的像鹿角，幾乎在已培養出來的多種阿斯加德古菌中都能看到。起初，研究人員曾懷疑這些突起是實驗污染或觀察產生的假象，但更多培養菌都出現了類似結構。進一步研究發現，一些阿斯加德古菌能利用這些突起改變細胞形態并移動，突起還可與產甲烷古菌等伙伴發生接觸。這些發現讓科學家把目光投向了真核生物起源過程中最關鍵的一場“合作”。

　　古菌突起或參與線粒體起源

　　目前較為普遍的觀點認為，大約20億年前，一個古老的古菌與一種細菌建立了內共生關系。細菌沒有被宿主消化掉，反而長期生活在古菌細胞內部，最終演化成線粒體。

　　線粒體能通過有氧呼吸為細胞提供大量能量，這被認為是后來復雜真核生物出現的重要條件。但兩個原本獨立生活的微生物為什么會建立這種關系，仍然是一個謎。

　　阿斯加德古菌的細胞突起提供了新的線索。部分研究顯示，這些突起能與其他微生物發生接觸，有的甚至能幫助阿斯加德古菌固定共生伙伴。一種“由內向外”模型提出，古菌祖先可能先利用細胞突起與其他微生物建立密切聯系，隨后逐漸形成更加穩定的共生關系。

　　科學家還在一些培養的阿斯加德古菌中觀察到了膜性區室，有的區室內部甚至還有更小的區室。這些結構與真核細胞內部復雜的膜系統存在相似之處。

　　這些發現提示，真核細胞的復雜性可能并非突然出現，一些基礎結構，也許早已存在于真核生物祖先的古菌近親中。

　　不過，目前的證據還不足以完整還原真核生物誕生的過程。不同阿斯加德古菌之間存在差異，現有培養菌數量也十分有限。

　　等待更多細胞被培養出來

　　阿斯加德古菌研究目前最大的限制，仍然是培養出來的種類太少。通過環境DNA，科學家已經發現了數百種阿斯加德古菌，但真正進入實驗室、能長期培養的只有很少一部分。那些尚未培養出來的種類，或許還藏著其他重要特征。

　　培養本身也是一場耐心的考驗。有研究人員用了193天，才讓一種培養菌穩定到可轉移到新的培養基中。即便成功培養，在不同實驗室之間復制也并不容易，溫度、營養條件等細微變化都可能影響培養結果。

　　因此，科學家正在推動培養菌共享，希望讓更多實驗室研究相同的菌株。只有獲得更多穩定培養菌，才能進一步研究阿斯加德古菌的細胞結構、代謝方式以及與其他微生物的關系。

　　古菌作為宿主是否能利用氧氣、細胞內部的膜性結構何時形成、那些突起究竟承擔什么功能，以及線粒體祖先如何與古菌建立關系，仍等待更多證據。

　　阿斯加德古菌的特別之處在于，它們今天依然生活在地球上。科學家可以培養觀察它們，研究它們的基因和細胞結構。那些過去只能存在于DNA序列中的線索，如今正在真實細胞中得到檢驗。隨著更多阿斯加德古菌被培養出來，復雜生命誕生的那段遙遠歷史，或許會變得更加清晰。