Loki, Loki, 摇晃生命之树的捣蛋微生物

原文作者:Traci Watson

一群以洛基(Loki)和其他北欧众神为名的神秘古细菌重新激起了关于复杂生物(包括人类)起源的辩论。

每个神话都需要一个称职的捣蛋鬼角色,而北欧神话中的洛基(Loki)在这方面是无出其右。他四处招惹麻烦,辱骂其他神族。他神出鬼没,无拘无束,形象扑朔迷离。换句话说,用他来命名这群微生物再合适不过——Lokiarchaeota正在重新定义生命的早期起源。


插画:Fabio Buonocore

这群不羁的微生物归类于“古菌”这类单细胞生物,它们在显微镜下看起来和细菌很像,但与细菌的差异和人类一样大。它们有时候被简称为“洛基”(Loki),是从格陵兰岛附近的海底泥中提取DNA测序而发现的。和一些有亲缘关系的微生物一道,它们促使生物学家们重新思考地球生命史上的一个重大事件——包括所有植物、动物、真菌等在内的真核生物的出现。

1970年代末,古菌的发现使科学家们提出,生命之树从很久以前就分出了三支树干,或者说三个“域”。一支是现代细菌的源泉,一支是古菌,而第三支上产生了真核生物。但学界很快就爆发了关于分支结构的争论。主流的三域系统模型坚称古菌和真核生物从同一个祖先分化而来。而一种二域模式认为真核生物是从古菌下属的一个类别中分化出来的。

澳大利亚昆士兰大学的微生物学家Phil Hugenholtz说,这些争论一度甚嚣尘上,但最终都止步不前了。后来,洛基和它们的亲缘种的出现像“一阵清风”,让二域系统发育树的话题再次复活了。

这些新发现的古菌拥有一些被认为是真核生物特有标记的基因。对这些生物的DNA的进一步的分析显示,现代的真核生物与这些古菌归属同一个类群。如果这是真的,那意味着所有复杂生命形式——从绿藻到蓝鲸——都起源于古菌。

然而很多科学家并不买账。建立一个系统发育树是非常繁琐、充满争议的工作。目前还没有人发表过任何证据表明这些生物能够在实验室中培育——这使得研究它们变得十分困难。当下的争论仍然充满着敌意。双方的忠实拥趸都“互相鄙视,百分百相信对方阵营一无是处”,Hugenholtz说道。有些人甚至不敢站队,就怕冒犯到同行前辈。

这可能会伤害到对产生真核生物的生物学跃进的深层理解。来自加拿大温哥华英属哥伦比亚大学的演化生物学家Patrick Keeling将之称为“自生命起源以来最重大的事件”。它们究竟如何产生的是“最终理解生物复杂性本质的最基本问题之一”。要回答这个问题,“我们需要搞清谁和谁有亲缘关系”。

两类?三类?

对半个世纪之前的科学家来说,地球上的生命分为两类:一类是真核生物,这些生物的细胞中有膜包围的内部结构,比如细胞核;还有一类是原核生物,这些单细胞生物通常没有细胞内的膜结构。细菌是当时的生物学家知道的原核生物。而在1977年,演化生物学家Carl Woese和他的同事们描述了古菌,作为不同于前两者的第三种生命形式——而且已有数十亿年历史。Woese说,生命应该被分为三类而不是两类。

Woese招来了不少批评者。1980年代,加州大学洛杉矶分校的演化生物学家James Lake提出,真核生物是一类古菌的姐妹种,他称之为“黎明之初的细胞”(eocytes,后更名为Crenarchaeota泉古菌。这个想法后来演变成了二域分类模型。

Lake和Woese就他们不同的模型进行了激烈的争斗,高潮是他们在1980年代中期一场传奇般的对吼。法国巴斯德研究所的微生物学家Patrick Forterre说,后来Woese说他“再也不想见到Jim Lake”。但Lake并没有恶语相向。他还说:“那真是一场激烈的辩论,当中夹杂了大量的权利博弈。”Woese已经于2012年去世。

时至今日,关于真核生物起源的讨论已经比较成熟了。争论双方的很多人都赞同真核生物的起源包含被称为“内共生”的一步。这个理论由已故生物学家Lynn Margulis确立,理论认为,很久很久以前一个简单的宿主细胞偶然吞入了一颗细菌,两者一拍即合,发展出了互利互惠的共生关系。这些被捕获的细菌最终演化为了线粒体——负责产生能量的细胞基本结构——而复合细胞体成为了我们今天所说的真核细胞。

两个阵营的分歧在于吞噬者细胞究竟是哪类。三域理论的支持者认为,吞噬者是一种已经灭绝的远古微生物。如Forterre所说,它是一种“元真核生物”——“既不同于现代的古菌也不同于现代的真核生物”。在这个理论模型中,早期生物演化中有几个关键的分支节点。个发生在数十亿年前,原始生物发展出了细菌和另一个已经不存在的微生物类群,后者分化成了古菌和真核生物两类。

而在二域模型的世界中,原始生物分化出了细菌和古菌两类。那个吞噬了一颗决定命运的细菌的生物是一个古菌。这就使真核生物成为了古菌中一枝独秀的一个分支——或者如一些科学家所说,一个“附属域”。(参见“有争议的分域”)


碎片化信息

如果没有微生物演化史的时光机,要搞清这些假说是十分困难的。早期真核生物的化石记录非常之少,仅有的个例也可能令人费解。科学家只能依靠现代生物的基因组中留存的记录,而这些记录都随着岁月流被打碎成了片段。“利用现代基因测序的数据,我们正在尝试解读大约几十亿年前发生的事情。”来自英国布里斯托大学的计算演化生物学家Tom Williams说。这绝不是什么容易的任务。

如今的基因测序技术已经把这场争论向前推进了许多。直到最近,科学家想要辨认出某个特定生态环境中的细菌或古菌,都只能在实验室中培养这些微生物。现在,研究人员要想知道一个水或土壤样品中的微生物群落,是通过提取其中的DNA,然后用数学工具进行分析——这项技术叫做宏基因组学。2002年,科学家只知道两类(两个门)古菌。今天,得益于宏基因组学,分类数量已经爆发式增长了。

演化科学家很快就享受到了新技术的好处。利用最新的无敌建模技术,他们建造出的详细描述古菌亲缘关系的系统发育树简直形成了一片森林。而这些结果中大部分将真核生物归为了古菌。

“我们认为,证据确实逐渐倾向于二域分类、泉古菌(eocyte)系统发育树了。”Williams说。但对另一些人来说,要解决这个争议,数据量还不够。

接着在2015年,当时就职于瑞典乌普萨拉大学的演化微生物学家Thijs Ettema带领的团队发表了Lokiarchaeota的DNA序列,这个样品来自于五年前挖出的海洋沉积物。之后的两年间,Ettema和其他研究者公布了和Loki相关的另外三个新的古菌门。包含这些新古菌门的类群被统称为“阿斯加德”(Asgard)——北欧神话中阿萨神族的地界

阿斯加德类古菌体形很小,却异常威猛。它们重新激起了关于生物分域的辩论。它们还为孕育最初真核生物的细胞究竟有什么性状提供了丰富多彩的线索——至少对支持二域分类法的人来说是如此。

和它们得名的洛基神一样,Lokiarchaeota和它们的亲缘种很难被简单概括描述。它们毫无疑问是古菌,但它们的基因组中包含了各种与真核生物基因相似的基因。例如,Loki的DNA中含有肌动蛋白的遗传指令,这是一种在真核细胞中形成类似骨架结构的蛋白质。这些基因看起来非常不合时宜,以至于一开始发现它们的研究人员都在担心样品受到了污染。荷兰皇家海洋研究所演化微生物学家Anja Spang回忆道:“我说,‘咦,这怎么可能呢?难道这真的是一个古菌基因组吗?’”。

演化学建模进一步确认了阿斯加德类古菌和真核生物的紧密关联。Ettema的团队做出的所有系统发育树里,真核生物都在阿斯加德类古菌中。

现在,很多研究人员都在用这些古菌的数据来更好地描绘真核生物的先驱。在吸收线粒体的原型之前,它可能已经有了一些真核生物的典型特征。“它很可能已经出现了某些非常原始的膜生物过程了。”Ettema说。

今年发表的一项研究显示,阿斯加德类古菌的祖先很可能是以碳基分子为食,比如脂肪酸和丁烷。这种饮食会产生一些副产物,给搭伙的细菌提供营养。这种共享食物的契约在微生物中很常见,而且可能演化成了一种更加亲密的关系。一个古菌可能为了营养传递的方便,挤在它的细菌伙伴身边,渐渐就完全拥抱在一起了。

不过,这样的假想场景仍被很多人怀疑。其中,Forterre是怀疑派的坚定代表。在仔细梳理了阿斯加德类古菌的相关论文后,他和同事在一篇文章中进行了一一反驳。

误导性的基因标记?

令Ettema极其愤怒的一项指责是,Forterre和他的团队认为Loki中发现的一些类似真核生物的基因序列来源于样品污染。例如一种叫做延长因子2的Loki蛋白质,就“很可能是被真核生物序列污染了”,Forterre的团队在批评文章中写道。Forterre现在表示他对这个论断不太确定了。

但他和同事们仍然坚持他们对于阿斯加德系统发育树的批评。即使最擅长计算系统发育树的人也必须承认,要解出二十亿年前的生物之间的关联实在太难了。生物学家重现这些关系的方式是靠模拟某个特定的“标记”(通常为一个蛋白质或一个基因)如何在对象生物体内随时间变化。

Forterre的团队表示,Ettema团队无意中选择了一些有误导性的标记来建立他们的系统发育树。Forterre和他的团队以两个大型蛋白质为标记做了他们自己的树,因为它们的尺寸比较大,大蛋白质更可能包含计算需要的信息。他们得到的结果是三域系统的树。

Ettema说Forterre选用的两个标记不足以追踪那么久以前发生的事件——这个批评也得到了很多其他科学家的响应。而且,当Ettema的团队尝试重现Forterre的发现时,即使用Forterre的两个蛋白质,结果仍然是二域树。Ettema尚未发表这项结果。

Ettema将一些分歧归于学科背景的差异。“Patrick Forterre在他的领域是一位杰出的科学家。”他说,不过在Loki古菌的领域,“有点越出他的专业知识范围了”。Forterre说他在系统发育学方面有一定技能储备,而他的合作者有更多。

尽管如此,并不是所有二域系统的支持者都直接无视了Forterre的系统发育树。比如,Williams就在用最新的分析工具和新的古菌类群建造一个新的树。他希望这些研究能够帮助他理解Forterre得到的一些结果。

三域树还有一位盟友是科罗拉多大学波尔得分校的微生物学家Norm Pace,他最早提出了一些将微生物纳入生命之树的关键方法。Pace说,在很长的时间尺度上,一些标记会发生一些难以追踪的变化。Ettema和其他一些人用统计方法将这些潜在的变化纳入了考虑范围,但Pace并不认同。“Ettema和他的同事们声称他们能够计算出看不见的变化。我声明那是愚昧的设想。”Pace说。但他们的方法正在被广泛采纳。而且,Ettema回应道,科学家们能够用许多种方法来验证那些潜在的变化是否会影响他们的数据结果。

其他一些科学家持保留意见——“系统发育树总在变”是老生常谈的一句。Keeling说他“完全是墙头草”。Hugenholtz也同意,“还没有最终定论”。但是这两位科学家都表示他们认为支持二域树的证据越来越多了。

在等待系统发育树可以坐实的同时,研究人员也在寻找其它方面的证据来支持二域树。细菌和真核生物的细胞膜中有一组脂质,而古菌的细胞膜中是不同的一组。通常认为,这两组结合在一起是无法稳定共存的。这个“脂质隔离”是二域树支持者的一个大难题,因为它暗示着,如果真核生物来自古菌,它们必须从使用古菌脂质切换到合成细菌脂质。

但脂质隔离的鸿沟现在看起来没那么宽了。去年,荷兰的研究者成功制造出了细胞膜中同时含有古菌和细菌脂质的细菌。科学家们还在黑海中找到了拥有两类脂质合成基因的细菌。微生物在古菌到真核生物过渡的过程中很可能使用过这样的混合膜,荷兰皇家海洋研究所的微生物学家Laura Villanueva说,她是研究黑海细菌的团队成员。

然而,对包括Loki古菌在内的阿斯加德类古菌的分析仍然十分有限。“大家急切期盼的是在这些系群中能够分离出一株菌种,”Pateur Institute的演化微生物学家Simonetta Gribaldo说,“我们需要抓住它们,培育它们。”

它们中的一些代谢迟缓,分裂也很慢——“这些都是你在培育生物时最不希望看到的特性。”Ettema说。只有很少的几位科学家愿意尝试一下。维也纳大学的微生物学家Christa Schleper正在尝试培养阿斯加德类古菌,她将其称为“我申请过的最疯狂的项目”。

尽管这类微生物神出鬼没,有一个团队捕捉到了据说是阿斯加德类的组照片。图片中的一种有着球形的细胞,每个细胞中有紧密的一束DNA,形成类似真核生物的决定性特征细胞核的结构。这些图像“很奇妙”,但还不足以得出结论,捷克科学院生物中心的微生物学家Rohit Ghai说,他是发表这些图像的一篇预印本论文的共同作者。

整体的图景仍不明晰。在北欧神话中,洛基神经常制造混乱,然后又让一切回到正轨。随着Lokiarchaeota和它们的亲戚从混沌迷蒙中被发掘出来,二域树的支持者希望,他们能够最终解决关于复杂生命形式起源的旷日持久的争论。但这可能还需要一些时间。“我们刚发现阿斯加德类古菌时,一度认为这足够说服所有人了,”Spang笑着说,“实际上并没那么简单啊。”

原文以The trickster microbes that are shaking up the tree of life为标题

发布在2019年5月14日《自然》新闻特写上


Nature|doi:10.1038/d41586-019-01496-w

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