圖為光學(xué)顯微鏡圖像，顯示了海洋藻類B.bigelowii。這種藻類吸收了UCYN-A細(xì)菌，并形成硝基體（黑色箭頭標(biāo)記處）。圖片來源：《細(xì)胞》

科技日報(bào)記者?張夢然

進(jìn)化是一個相當(dāng)奇妙而漫長的過程，一些隨機(jī)活動的爆發(fā)，造就了當(dāng)今地球上生命的多樣性。它們可能會大規(guī)模發(fā)生，比如高效的肢體進(jìn)化；也可能發(fā)生在微觀細(xì)胞層面，比如細(xì)胞不同部分的首次形成。

現(xiàn)在，一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個重大生命事件的跡象，該事件可能至少十億年來都沒有發(fā)生過了。他們在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中觀察到初級內(nèi)共生現(xiàn)象，即兩種生命形式融合成一個有機(jī)體。

這種極為罕見的事件發(fā)生在一種海洋藻類和一種細(xì)菌之間。最近發(fā)表在《細(xì)胞》和《科學(xué)》雜志上的兩篇論文描述了這些研究結(jié)果。

每次“內(nèi)共生”都是進(jìn)化的重大突破

當(dāng)一種微生物吞噬另一種微生物時(shí)，就會發(fā)生初級內(nèi)共生。宿主為這個內(nèi)共生體提供多種好處，包括營養(yǎng)、能量和保護(hù)。最終，被吞噬的微生物會成為宿主的一個被稱為細(xì)胞器的器官。

“發(fā)生這種情況非常罕見。”《細(xì)胞》論文的合著者、美國加州大學(xué)圣克魯斯分校博士后學(xué)者泰勒·科爾說，“它第一次發(fā)生時(shí)，就產(chǎn)生了所有復(fù)雜的生命。”

一種生命形式成為另一種生物體功能基礎(chǔ)的內(nèi)共生，僅發(fā)生過3次。這3次實(shí)例都是進(jìn)化過程中的重大突破。

第一個事件發(fā)生在大約22億年前。那時(shí)，一種稱為古細(xì)菌的單細(xì)胞生物吞噬了一種細(xì)菌，最終形成了線粒體。現(xiàn)在，每個生物學(xué)學(xué)生都知道這種特殊的細(xì)胞器是“細(xì)胞的動力源”，它的出現(xiàn)使復(fù)雜的生物體得以進(jìn)化。

第二個事件發(fā)生于更高級的細(xì)胞吸收藍(lán)細(xì)菌時(shí)。藍(lán)細(xì)菌可從陽光中獲取能量，它們最終成為葉綠體的細(xì)胞器。葉綠體提供了生物學(xué)的另一個核心知識——綠色植物可利用陽光制造食物。

第三次，也是最新發(fā)現(xiàn)的內(nèi)共生事件顯示，藻類有可能將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨，用于其他細(xì)胞過程。

一個新的細(xì)胞器出現(xiàn)了嗎？

在《細(xì)胞》雜志發(fā)表的論文中，一組科學(xué)家觀察了一種名為B.bigelowii的藻類。吞噬了藍(lán)細(xì)菌的藻類有了一種超能力：它可直接從空氣中“固定”氮?dú)猓⑴c其他元素結(jié)合形成更有用的化合物。這是植物通常無法做到的。

氮是維持生命存在的重要營養(yǎng)物質(zhì)。深入分析后，研究小組認(rèn)為B.bigelowii藻類與一種名為UCYN-A的細(xì)菌具有特殊的共生關(guān)系。

他們發(fā)現(xiàn)，在與B.bigelowii藻類相關(guān)的不同物種中，藻類和UCYN-A細(xì)菌之間的大小比例非常相似。它們的生長似乎是通過關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)的交換來控制的。這種生長速度的同步性，使得研究人員將UCYN-A稱為類細(xì)胞器。

這正是細(xì)胞器出現(xiàn)的標(biāo)志。加州大學(xué)圣克魯斯分校微生物海洋學(xué)家喬納森·澤爾說，“它和線粒體、葉綠體是同一回事，它們隨著細(xì)胞的大小而變化。”

“硝基體”誕生

這里還存在一個問題：這究竟是一個內(nèi)共生體，還是一個真正的細(xì)胞器？在《科學(xué)》雜志發(fā)表的另一篇論文中，研究人員通過X射線成像表明，藻類宿主和內(nèi)共生體的復(fù)制和分裂過程是同步的，這提供了一個更強(qiáng)有力的證據(jù)。

他們還將分離的UCYN-A細(xì)菌的蛋白質(zhì)與藻類細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)進(jìn)行了比較。研究小組發(fā)現(xiàn)，分離出的細(xì)菌只能產(chǎn)生其所需蛋白質(zhì)的大約一半。它需要藻類宿主為其提供生存所需的其余蛋白質(zhì)。

澤爾指出，這是從內(nèi)共生體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞器的標(biāo)志之一。它們丟棄DNA片段，基因組變得越來越小，并開始依賴母細(xì)胞將這些基因產(chǎn)物或蛋白質(zhì)本身運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞中。

這表明，UCYN-A是一個完整的細(xì)胞器。他們將其命名為“硝基體”。它可能在大約1億年前就開始進(jìn)化。這一時(shí)間聽起來很長，但與另兩個事件相比，這個進(jìn)化“很新”。

以此次研究為基礎(chǔ)，科學(xué)家還可能會發(fā)現(xiàn)其他具有相似進(jìn)化故事的生物體。但今天的這一發(fā)現(xiàn)“值得載入教科書”。