全新古細菌或可揭示生命起源:科學家研究了12年

2010年，科學家在對北冰洋海底採集的沉積物巖心進行DNA分析時，他們發現了一些令人驚訝的東西。一種以前未知的屬於古細菌（Archaea）的微生物，而它的基因組特徵似乎與真核生物（Eukaryota）有關。

他們在格陵蘭島附近的Loki's Castle熱液噴口發現該生物，並將其命名為Lokiarchaeota（以下簡稱Loki）；但更大的懷疑給這一發現掩上了一層陰影：樣品是否被巖心的其他東西所汙染了？

現在，多虧了日本科學家的努力，這些疑惑得到了平息。他們第一次隔離了Loki，並在實驗室裡培育了它。

這意味著，研究人員可能第一次對活著的Loki進行了觀察和研究，這可以幫助我們在這個令人難以置信的藍色星球上找到我們的第一個祖先。

生命之樹在其基礎上可以被分為三個領域。其中之一被細菌所佔——沒有細胞核或膜結合的細胞器的單細胞微生物，通過擺動稱為鞭毛的毛髮狀結構四處遊走。另一種則是真核生物，其細胞具有細胞核和細胞膜。該領域包含了我們人類、動物、植物和藻類。

還有就是古細菌。它們很像細菌，因為缺乏細胞核和與膜結合的細胞器，並使用鞭毛來四處走動。但它們之間存在著關鍵的區別。它們的細胞壁由略有不同的物質組成，它們的RNA差異很大，足以將它們在生命之樹上分割開來。

但隨後出現了Loki，還有其它具有真核生物特徵的古細菌標本。它們被命名為Thorarchaeota、Odinarchaeota和Heimdallarchaeota（遵循相同的命名規定）。

總體而言，它們被稱為阿斯加德古細菌（Asgard archaea），一些科學家認為它可能是真核生物的起源——也許是在阿斯加德一樣的古細菌吞噬了一種細菌之後。

但是，如果不對生物體進行單獨的詳細研究，就很難分辨出來。這就是日本科學家的功勞所在。他們在2006年從海平面以下2533米（8,310英尺）的南海海槽中的海底找回了沉積物巖芯。

這是在眾人知道阿斯加德古細菌之前。不久後，對此豐富樣本的RNA分析才發現存在類似Loki的有機體。

團隊剛開始工作時，還不知道了這一點。在連續流生物反應器系統中，他們不斷注入甲烷來模擬深海甲烷排放的條件，在其中培育了五年樣品。在這個條件下，微生物緩慢地成倍增長著。

下一步就是將生物反應器中的樣品放入含有營養物質的玻璃管中，以保持它們的營養和生長。在那裡，他們又等待了一年，終於開始發展出了非常微弱的Loki群體。

然後，團隊投入了更多的時間來隔離、培養和增長這個緩慢分化的細菌群。常見的細菌群通常需要花費約半小時翻倍，而Loki則花了20天。

研究人員在論文中寫道：「重複的亞培養在古細菌極低的生長速度和細胞產量下，豐富了古細菌的菌群。培養物一直有30-60天的滯後期，需要3個多月才能完全生長。而培養溫度的變化，基質的組合和濃度對於滯後期、生長速率或細胞產量沒有明顯的改善。」

總的來說，這個實驗花費了12年。研究人員將他們培育的微生物命名為Prometheoarchaeum syntrophicum ——在普羅米修斯之後，古希臘神話中的泰坦被認為是用黏土創造了人類。

他們有了一些有趣的發現。第一種觀點認為，Prometheoarchaeum只有在一種或兩種微生物存在的情況下才會生長，這兩種微生物分別是古甲烷菌和氟脫硫弧菌。當Prometheoarchaeum將胺基酸分解成食物時，它會產生氫，而其他微生物則以氫為食。

實驗表明，如果允許氫在周圍徘徊，這可能會進一步阻礙Prometheoarchaeum那已經很慢的生長速度，表明古細菌和其它生物存在著共生關係——在這種情況下，意味著一個物種或兩個物種的生長取決於另一個物種吃什麼。

當在電子顯微鏡下檢查這個有機體時，它揭示了一個不尋常的形狀，一個長長的觸角從它的體內發芽，它的夥伴微生物就依附在上面。

研究人員假設，當地面上的氧氣開始增加時，這種有機體轉而與使用氧氣的細菌產生關係，增加其生存機會，並走上了成為真核生物的道路。

事實上，DNA測序揭示了其它阿斯加德古細菌的真核特徵。

顯然，還有許多工作要做。Prometheoarchaeum可能與數十億年前的古細菌大相逕庭。遠不能確定真核生物是從古生物進化而來的。

到目前為止，這項研究還沒有經過同行評審，因此了解科學界對此的看法將是一件有趣的事情。但無論現在發生什麼，我們都將從這項工作中學到很多。

「這是一篇具有裡程碑意義的論文，反映了巨大的工作量和毅力。」瓦赫寧根大學的進化微生物學家Thijs Ettema對《自然》雜誌說。

「這向了解這一重要血統邁出了重要的一步。」

（圖片來源：Imachi et al., bioRxiv, 2019）