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兩種生命融為一體——海藻與細菌“內(nèi)共生”成新細胞器|今日視點

2024-05-11 19:02:25 來源: 科技日報 點擊數(shù):


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

科技日報記者?張夢然

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

現(xiàn)在,一組科學家發(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。他們在實驗室環(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體。

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

每次“內(nèi)共生”都是進化的重大突破

當一種微生物吞噬另一種微生物時,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。最終,被吞噬的微生物會成為宿主的一個被稱為細胞器的器官。

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

一種生命形式成為另一種生物體功能基礎的內(nèi)共生,僅發(fā)生過3次。這3次實例都是進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,一種稱為古細菌的單細胞生物吞噬了一種細菌,最終形成了線粒體。現(xiàn)在,每個生物學學生都知道這種特殊的細胞器是“細胞的動力源”,它的出現(xiàn)使復雜的生物體得以進化。

第二個事件發(fā)生于更高級的細胞吸收藍細菌時。藍細菌可從陽光中獲取能量,它們最終成為葉綠體的細胞器。葉綠體提供了生物學的另一個核心知識——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化為氨,用于其他細胞過程。

一個新的細胞器出現(xiàn)了嗎?

在《細胞》雜志發(fā)表的論文中,一組科學家觀察了一種名為B.bigelowii的藻類。吞噬了藍細菌的藻類有了一種超能力:它可直接從空氣中“固定”氮氣,并與其他元素結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,研究小組認為B.bigelowii藻類與一種名為UCYN-A的細菌具有特殊的共生關系。

他們發(fā)現(xiàn),在與B.bigelowii藻類相關的不同物種中,藻類和UCYN-A細菌之間的大小比例非常相似。它們的生長似乎是通過關鍵營養(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稱為類細胞器。

這正是細胞器出現(xiàn)的標志。加州大學圣克魯斯分校微生物海洋學家喬納森·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,還是一個真正的細胞器?在《科學》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)共生體的復制和分裂過程是同步的,這提供了一個更強有力的證據(jù)。

他們還將分離的UCYN-A細菌的蛋白質(zhì)與藻類細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)進行了比較。研究小組發(fā)現(xiàn),分離出的細菌只能產(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)共生體轉變?yōu)榧毎鞯臉酥局弧K鼈儊G棄DNA片段,基因組變得越來越小,并開始依賴母細胞將這些基因產(chǎn)物或蛋白質(zhì)本身運輸?shù)郊毎小?/p>

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

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

責任編輯:左常睿

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