海藻與細菌“內共生”出新細胞器

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

現在，一組科學家發現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生過了。他們在實驗室環境中觀察到初級內共生現象，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生在一種海洋藻類和一種細菌之間。最近發表在《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，就會發生初級內共生。宿主為這個內共生體提供多種好處，包括營養、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，“它第一次發生時，就產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共生，僅發生過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”，它的出現使復雜的生物體得以進化。

第二個事件發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，也是最新發現的內共生事件顯示，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了嗎？

在《細胞》雜志發表的論文中，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物質。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。

他們發現，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物質的交換來控制的。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：這究竟是一個內共生體，還是一個真正的細胞器？在《科學》雜志發表的另一篇論文中，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。

他們還將分離的UCYN-A細菌的蛋白質與藻類細胞內的蛋白質進行了比較。研究小組發現，分離出的細菌只能產生其所需蛋白質的大約一半。它需要藻類宿主為其提供生存所需的其余蛋白質。

澤爾指出，這是從內共生體轉變為細胞器的標志之一。它們丟棄DNA片段，基因組變得越來越小，并開始依賴母細胞將這些基因產物或蛋白質本身運輸到細胞中。

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，科學家還可能會發現其他具有相似進化故事的生物體。但今天的這一發現“值得載入教科書”。