地球上復(fù)雜的生物是如何產(chǎn)生的?這是生物學(xué)中一個(gè)懸而未決的大問題。維也納大學(xué)的克里斯塔·施勒珀(Christa Schleper)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的馬丁·皮爾霍費(fèi)爾(Martin Pilhofer)的工作組合作，向答案又近了一步。研究人員成功培育了一種特殊的太古菌，并使用顯微鏡方法更精確地描述了它的特征。這種阿斯加德古菌的成員表現(xiàn)出獨(dú)特的細(xì)胞特征，可能代表了進(jìn)化中更復(fù)雜的生命形式(如動(dòng)物和植物)的“缺失環(huán)節(jié)”。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然》雜志上。  

地球上所有的生命形式被分為三個(gè)主要領(lǐng)域:真核生物、細(xì)菌和古細(xì)菌。真核生物包括動(dòng)物、植物和真菌。它們的細(xì)胞通常要大得多，乍一看比細(xì)菌和古細(xì)菌的細(xì)胞更復(fù)雜。例如，真核生物的遺傳物質(zhì)被包裝在細(xì)胞核中，細(xì)胞也有大量的其他隔室。真核細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞形狀和運(yùn)輸也基于廣泛的細(xì)胞骨架。但是進(jìn)化到如此復(fù)雜的真核細(xì)胞是如何發(fā)生的呢?

目前大多數(shù)模型都假設(shè)古生菌和細(xì)菌在真核生物的進(jìn)化中發(fā)揮了核心作用。真核生物的原始細(xì)胞被認(rèn)為是大約20億年前由古細(xì)菌和細(xì)菌之間的密切共生進(jìn)化而來的。2015年，對(duì)深海環(huán)境樣本的基因組研究發(fā)現(xiàn)了所謂的“Asgard archaea（阿斯加德古菌，生物通注）”，在生命樹中，它是真核生物的近親。2020年，一個(gè)日本小組從濃縮培養(yǎng)中發(fā)布了第一張“阿斯加德”細(xì)胞的圖像。

從海洋沉積物中培養(yǎng)的阿斯加德古菌  

維也納大學(xué)的Christa Schleper的工作小組現(xiàn)在第一次成功地在更高的濃度上培養(yǎng)出了這個(gè)小組的代表。它來自斯洛文尼亞皮蘭海岸的海洋沉積物，但也是維也納的居民，例如在多瑙河的岸邊沉積物中。由于它生長(zhǎng)到高細(xì)胞密度，這個(gè)代表可以特別好地研究。維也納大學(xué)古生菌工作組博士后、該研究的第一作者之一蒂亞戈·羅德里格斯-奧利維拉(Thiago rodriguez - oliveira)說:“在實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定培養(yǎng)中獲得這種極其敏感的生物體非常棘手和費(fèi)力。”

阿斯加德古菌具有復(fù)雜的細(xì)胞形狀和廣泛的細(xì)胞骨架  

維也納小組在培養(yǎng)高濃縮的阿斯加德代表細(xì)胞方面取得了非凡的成功，最終允許用顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行更詳細(xì)的檢查。馬丁·皮爾霍弗(Martin Pilhofer)團(tuán)隊(duì)的ETH研究人員使用現(xiàn)代冷凍電子顯微鏡拍攝了沖擊冷凍細(xì)胞的照片。“這種方法可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維觀察。”“這些細(xì)胞由圓形細(xì)胞體組成，細(xì)胞延伸很薄，有時(shí)很長(zhǎng)。這些觸手狀的結(jié)構(gòu)有時(shí)甚至似乎連接著不同的細(xì)胞體，”弗洛里安·沃韋伯說，他花了幾個(gè)月的時(shí)間在顯微鏡下追蹤細(xì)胞。這些細(xì)胞還含有廣泛的肌動(dòng)蛋白絲網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是真核細(xì)胞所特有的。這表明，在第一批真核生物出現(xiàn)之前，古生菌中就出現(xiàn)了廣泛的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，并為圍繞這一生命歷史上重要而壯觀事件的進(jìn)化理論提供了動(dòng)力。

通過新的模式生物對(duì)未來的洞察  

微生物學(xué)家Christa Schleper評(píng)論說:“我們的新生物被稱為L(zhǎng)okiarchaeum ossiferum，它有很大的潛力為真核生物的早期進(jìn)化提供進(jìn)一步的開創(chuàng)性見解?！薄拔覀兓肆甑臅r(shí)間才獲得穩(wěn)定和高度富集的培養(yǎng)物，但現(xiàn)在我們可以利用這一經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行許多生化研究，并培養(yǎng)其他阿斯加德古菌?！贝送?，科學(xué)家們現(xiàn)在可以使用ETH開發(fā)的新成像方法來研究，例如，阿斯加德古菌與其細(xì)菌伙伴之間的密切相互作用。未來還可以對(duì)細(xì)胞分裂等基本細(xì)胞生物學(xué)過程進(jìn)行研究，以闡明真核生物中這些機(jī)制的進(jìn)化起源。

文章標(biāo)題

Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon.