2024年05月13日 星期一
两种生命融为一体——
海藻与细菌“内共生”出新细胞器
左图为光学显微镜图像,显示了海洋藻类B.bigelowii。这种藻类吸收了UCYN-A细菌,并形成硝基体(黑色箭头标记处)。图片来源:《细胞》
右图为软X射线断层扫描生成,显示了处于细胞分裂不同阶段的藻类。UCYN-A是一种细胞器的固氮实体(青色),蓝色为藻类细胞核,绿色为线粒体,淡紫色为叶绿体。图片来源:伯克利实验室

    【今日视点】

    ◎本报记者 张梦然

    进化是一个相当奇妙而漫长的过程,一些随机活动的爆发,造就了当今地球上生命的多样性。它们可能会大规模发生,比如高效的肢体进化;也可能发生在微观细胞层面,比如细胞不同部分的首次形成。

    现在,一组科学家发现了一个重大生命事件的迹象,该事件可能至少十亿年来都没有发生过了。他们在实验室环境中观察到初级内共生现象,即两种生命形式融合成一个有机体。

    这种极为罕见的事件发生在一种海洋藻类和一种细菌之间。最近发表在《细胞》和《科学》杂志上的两篇论文描述了这些研究结果。

    每次“内共生”都是进化的重大突破

    当一种微生物吞噬另一种微生物时,就会发生初级内共生。宿主为这个内共生体提供多种好处,包括营养、能量和保护。最终,被吞噬的微生物会成为宿主的一个被称为细胞器的器官。

    “发生这种情况非常罕见。”《细胞》论文的合著者、美国加州大学圣克鲁斯分校博士后学者泰勒·科尔说,“它第一次发生时,就产生了所有复杂的生命。”

    一种生命形式成为另一种生物体功能基础的内共生,仅发生过3次。这3次实例都是进化过程中的重大突破。

    第一个事件发生在大约22亿年前。那时,一种称为古细菌的单细胞生物吞噬了一种细菌,最终形成了线粒体。现在,每个生物学学生都知道这种特殊的细胞器是“细胞的动力源”,它的出现使复杂的生物体得以进化。

    第二个事件发生于更高级的细胞吸收蓝细菌时。蓝细菌可从阳光中获取能量,它们最终成为叶绿体的细胞器。叶绿体提供了生物学的另一个核心知识——绿色植物可利用阳光制造食物。

    第三次,也是最新发现的内共生事件显示,藻类有可能将大气中的氮转化为氨,用于其他细胞过程。

    一个新的细胞器出现了吗?

    在《细胞》杂志发表的论文中,一组科学家观察了一种名为B.bigelowii的藻类。吞噬了蓝细菌的藻类有了一种超能力:它可直接从空气中“固定”氮气,并与其他元素结合形成更有用的化合物。这是植物通常无法做到的。

    氮是维持生命存在的重要营养物质。深入分析后,研究小组认为B.bigelowii藻类与一种名为UCYN-A的细菌具有特殊的共生关系。

    他们发现,在与B.bigelowii藻类相关的不同物种中,藻类和UCYN-A细菌之间的大小比例非常相似。它们的生长似乎是通过关键营养物质的交换来控制的。这种生长速度的同步性,使得研究人员将UCYN-A称为类细胞器。

    这正是细胞器出现的标志。加州大学圣克鲁斯分校微生物海洋学家乔纳森·泽尔说,“它和线粒体、叶绿体是同一回事,它们随着细胞的大小而变化。”

    “硝基体”诞生

    这里还存在一个问题:这究竟是一个内共生体,还是一个真正的细胞器?在《科学》杂志发表的另一篇论文中,研究人员通过X射线成像表明,藻类宿主和内共生体的复制和分裂过程是同步的,这提供了一个更强有力的证据。

    他们还将分离的UCYN-A细菌的蛋白质与藻类细胞内的蛋白质进行了比较。研究小组发现,分离出的细菌只能产生其所需蛋白质的大约一半。它需要藻类宿主为其提供生存所需的其余蛋白质。

    泽尔指出,这是从内共生体转变为细胞器的标志之一。它们丢弃DNA片段,基因组变得越来越小,并开始依赖母细胞将这些基因产物或蛋白质本身运输到细胞中。

    这表明,UCYN-A是一个完整的细胞器。他们将其命名为“硝基体”。它可能在大约1亿年前就开始进化。这一时间听起来很长,但与另两个事件相比,这个进化“很新”。

    以此次研究为基础,科学家还可能会发现其他具有相似进化故事的生物体。但今天的这一发现“值得载入教科书”。

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