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生物进化史上,最重要的进化之一,是20亿年前真核生物出现了

生物进化史上,最重要的进化之一,是20亿年前真核生物出现了

生物进化史上,最重要的进化之一,是20亿年前真核生物出现了

地球生命生物进化史上最重要的发展之一发生在大约20亿年前,第一批真核生物出现(含有独特细胞核的单细胞生物)。这第一个真核血统随后将产生包括植物和动物在内的所有高等生物,但其起源尚不清楚。

几年前,微生物学家分析了海洋沉积物中的DNA序列,这为这个问题提供了新线索。这些沉积物是在北冰洋大西洋中部山脊上一个名为洛基城堡(以北欧火神命名)的热液喷口中被发现。对它们所含DNA分子的测序显示,它们来自一组以前不为人知的微生物。虽然DNA来源的细胞不能直接分离和鉴定,但序列数据表明它们与古生代有密切的亲缘关系。因此,研究人员将这个新的类群命名为洛基考古塔。古生菌和细菌门是已知最古老的单细胞有机体谱系。

引人注目的是,洛基考古群的基因组表明,它们可能表现出其他真核生物特有的结构和生化特征。这表明洛基考古群可能与真核生物的最后一个共同祖先有亲缘关系。事实上,来自洛基城堡的洛基考古群DNA系统基因组分析有力地表明,它们是从真核生物和古生代最后共同祖先之一的后代中派生出来的。路易斯安那州立大学地球与环境科学系的威廉·奥尔西教授与奥尔登堡大学和马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家合作。

现在已经能够直接检查洛基考古群的活动和新陈代谢。这些结果支持洛基考古群和真核生物之间的关系,并为第一批真核生物进化的环境性质提供了线索,这项新发现发表在《自然微生物学》期刊上。真核生物最有可能出现的情况是,它们起源于一种共生关系,在这种共生关系中,宿主是古生物细胞,共生体是细菌。根据这一理论,细菌共生体随后产生了线粒体,线粒体是负责真核细胞能量生产的细胞内细胞器。

一种假说认为,古生菌宿主的新陈代谢依赖于氢,线粒体的前体产生了氢。这一“氢假说”假设,这两个配对细胞可能生活在富含氢的缺氧环境中,如果它们与氢源分离,它们将变得更加依赖彼此生存,有可能导致内共生事件。如果洛基考古群,作为这个假定的乌尔考古群后代,也依赖于氢,这将支持氢的假说。然而,到目前为止,这些古生物在其自然栖息地的生态状况还是个猜测。现在首次表征了从纳米比亚海岸外,广泛缺氧地区海底沉积物岩芯中提取的洛基考古塔的细胞新陈代谢。

通过分析这些样本中存在的RNA来做到这一点,RNA分子从基因组DNA复制而来,作为蛋白质合成的蓝图。因此,序列反映了基因活性的模式和水平。序列分析显示,这些样本中的洛基考古菌数量是细菌的100到1000倍。这有力地表明,这些沉积物是它们的有利栖息地,促进了它们的活动。研究人员能够在实验室的沉积物样本中,建立洛基考古群的富集培养。这使得他们能够使用碳同位素作为标记来研究这些细胞的新陈代谢。

结果表明,这些微生物利用一个复杂的代谢途径网络。此外,这些数据证实了洛基古菌确实使用氢气固定二氧化碳。这一过程提高了新陈代谢的效率,并能让这些物种保持高水平的生化活动,尽管它们的缺氧自然栖息地的能量有限。实验证据证实了第一个真核细胞的氢假说,因此,最早的真核生物可能起源于缺氧和富含氢的海洋沉积物,例如今天现代洛基考古动物群特别活跃的那些沉积物。

博科园|研究/来自:慕尼黑路德维希马克西米利安大学

参考期刊《自然微生物学》

DOI: 10.1038/s41564-019-0630-3

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