2019年十大科學發現:新發現的這類古菌,讓整個生命科學大廈開始動搖

2021-01-08 騰訊網

2019年12月20日,國際頂尖學術期刊Science公布了2019年度十大科學突破,詳情點擊:《科學》2019十大科學突破

其中一項是關於一類新發現的古菌——阿斯加德古菌,這類古菌的發現,動搖了目前主流的」三域系統「,動搖了生命起源的根基

摘要Thijs Ettema等人先後發現了4種新的古菌,分別命名為洛基索爾奧丁海姆達爾,並將它們統稱為阿斯加德古菌,進一步測序分析表明,包括人類在內的所有真核生物,都起源於阿斯加德古菌。這一發現也動搖了目前主流的」三域系統「,動搖了生命起源的根基。

每一個神話體系中都需要一個大騙子,論騙術,可能沒有比北歐神話中的洛基(Loki)更好的了。作為北歐神話中的惡作劇和謊言之神,洛基個性狡猾,為人詭譎,總是惹麻煩而又難以捉摸。

一種跟洛基同名的洛基古菌(Lokiarchaeota),跟洛基一樣麻煩不斷,它的出現開始動搖生命起源的根基。

洛基古菌是於2010年在格陵蘭島附近的海底沉積物中被發現,2015年完成DNA測序分析,洛基古菌的發現,讓生物學家們開始重新考慮地球生命史中最偉大的事件之一:真核生物的出現。

漫威電影中洛基的形象,來自《雷神》海報

二分法

列文虎克發明顯微鏡之前,人們一度認為生物只有兩類:植物動物。隨著列文虎克用顯微鏡觀察到了微生物,一個新世界的大門被打開了,原來我們生活的環境中充滿著無數肉眼不可見的微生物。

隨著顯微技術的進步,人們觀察到了越來越多的細菌,此時,生物學家把細胞生命分成了兩大類:真核生物(擁有膜結構的細胞核和細胞器)和原核生物(沒有細胞核和膜結構細胞器)。此時細菌是人們知道的唯一的原核生物。

三域系統

20世紀70年代,科學家發現了一類全新的生命形式——古菌。古菌是單細胞微生物,它們沒有細胞核及與任何其他膜結合細胞器,雖然形態上與細菌很像,但基於分子生物學的研究表明,古菌在進化上更接近真核生物,古菌應屬於一種全新的生命形式。

基於這些發現,卡爾·烏斯(Carl Woese)在1977年提出,並於1990年修正了新的細胞生命形式分類——三域系統。該系統將細胞生命分為三大類:細菌域(Bacteria)、古菌域(Archaea)和真核域(Eukarya)。

該系統認為,生命之樹很久以前就分化成三個主要的樹幹(域)。一根樹代表了現代細菌;另一根代表了古菌,第三根代表了真核生物。

目前佔據主流的三域系統

但「三域系統」一直存在爭議,20世紀80年代,洛杉磯加利福尼亞大學的進化生物學家詹姆斯·萊克(James Lake)提出,真核生物是古細菌的姐妹,這個想法演變成了」雙域模型「。

雙域系統認為,真核生物是從古菌的分支演化而來

如今,科學界公認真核生物起源於」內共生「,內共生學說認為,一個簡單的宿主細胞吞噬了一個細菌,二者建立了互利關係,最終被吞噬的細菌進化成了產生能量的線粒體,形成了現在所知的真核生物。

但是,三域系統的支持者和雙域系統的支持者在吞噬細胞的性質上產生了嚴重的分歧。三域系統的支持者認為吞噬細胞是一種原始真核生物,既不是現代古菌也不是現代真核生物。雙域系統的支持者認為吞噬細胞就是一個古菌,因此真核生物都是這個古菌的分支。

雖然存在著爭議,但三域系統佔據了主流

近年來,基因測序和分析技術的進步,推動了這些爭論,2002年科學家們只知道古菌的兩個類別,而如今,基於宏基因組學,古菌分類數量激增。

進化生物學家利用最新的強大建模技術,創造了一個進化樹森林,詳細描述了古菌家族之間的關係。在許多情況下,分析結果都將真核生物置於古菌域中。但許多科學家認為,這些結論還是缺乏足夠的數據支持。

洛基古菌的發現

2015年,瑞典烏普薩拉大學的進化微生物學家Thijs Ettema領導團隊在Nature雜誌發表論文,他們發現並解析了一種全新的古菌——洛基古菌(Lokiarchaeota)的DNA序列。

此後兩年內,該團隊和其他研究人員又發現了與洛基古菌有關的三個新的古菌,分別命名為索爾古菌(Thorarchaeota)、奧丁古菌(Odinarchaeota)和海姆達爾古菌(Heimdallarchaeota)。他們將整個新古菌門以北歐神話中的神域阿斯加德(Asgard)命名。

阿斯加德古菌的尺寸很小,但事實證明它們很強大,他們的出現,重新激起了細胞生命域真實數量的爭論。

阿斯加德古菌中包含與真核生物類似的基因,例如洛基古菌被發現具有真核生物的標誌性基因肌動蛋白基因,通過對它們DNA的深入分析,表明所有的現代真核生物來自同一個古菌群。如果真是這樣的話,基本上所有複雜的生命,從綠藻到巨大的藍鯨,它們最初都來自古菌。

但是很多科學家不相信這一結果,構建進化樹是一個複雜而又充滿爭議的工作,而且到目前為止,洛基古菌還不能在實驗室條件下培養,因此也難以研究。

比如」三域系統「的支持者Patrick Forterre教授認為,洛基古菌中發現的真核生物類似基因,有可能是樣本被汙染了。對於三域還是雙域問題,Thijs EttemaPatrick Forterre產生了激烈的爭論。

BioWorld註:樣本被汙染的可能性是存在的,例如,1995年,我國科學家曾宣布從恐龍蛋化石中提取了恐龍基因組,此消息轟動世界,後被證實樣本被汙染,提取的其實是人和細菌的DNA。

三域?還是雙域

在北歐神話中,洛基經常製造混亂,然後再把一切都搞定。當洛基古菌和它的親戚們被發現時,三域系統和雙域系統的支持者都希望它們能夠終結複雜生命體起源的長期爭論。

洛基古菌的發現者們曾認為,這些發現會讓所有人信服,真核生物就是起源於古菌。然而事實並非如此,情況依然不明朗。

註:本文所討論的均為細胞生命的分類,病毒沒有細胞結構,因此不在討論範圍內。

參考內容:

https://www.nature.com/articles/nature21031

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