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摇摇欲坠的骗子微生物

2020-02-15 10:06:07来源:

每个神话都需要一个好骗子,没有什么比北欧神洛基更好。他惹麻烦,侮辱其他神灵。他是难以捉摸,无政府状态和am昧的。换句话说,他是一组微生物(“ Lokiarchaeota”)的完美代名词,该微生物正在重写有关生命早期根源的基本故事。

这些不守规矩的微生物属于一种称为古细菌的单细胞生物,其在显微镜下类似于细菌,但在某些方面与人类截然不同。Lokis,有时是众所周知的,是通过对格陵兰岛1附近收集的海底粪便中的DNA进行测序而发现的。他们与一些相关的微生物一起,促使生物学家重新考虑地球上生命史上最重大的事件之一-真核生物的出现,真核生物是包括所有植物,动物,真菌等在内的生物群。

在1970年代后期发现古细菌后,科学家们提出了生命之树在很久以前就分化成三个主要树干或“果树”的想法。一根树干引起现代细菌的侵袭。一到古细菌。第三类是真核生物。但是有关这些主干线结构的争论很快就爆发了。领先的“三域”模型认为,古细菌和真核生物与共同祖先不同。但是有两个领域的情况表明,真核生物直接与古细菌亚群不同。

澳大利亚布里斯班昆士兰大学的微生物学家Phil Hugenholtz说,尽管有时会引起激烈争论,但最终停滞不前。然后洛基人和他们的亲戚像“呼吸一口新鲜空气”一样吹了吹?他说,并恢复了两域树的情况。

这些新发现的古细菌具有被认为是真核生物标志的基因。对生物体DNA的深入分析表明,现代真核生物属于同一古细菌群。如果是这样的话,基本上所有复杂的生活-从绿藻到蓝鲸的一切-都起源于古细菌。

但是许多科学家仍然不相信。进化树的建造是一件混乱而有争议的工作。尚未有人发表证据表明这些生物可以在实验室中生长,这使它们难以研究。辩论仍然很激烈。双方的坚定力量“彼此敌对,而100%的人认为在另一阵营中没有任何正确之处”?于根霍尔茨说。由于害怕冒犯高级同事,一些人拒绝发表意见。

危在旦夕的是对产生真核生物的生物学飞跃的更深了解:根据加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的进化生物学家帕特里克·基林(Patrick Keeling)的说法,“这是自生命起源以来最大的一件事情。”它们来自“理解生物学复杂性的本质中最基本的问题之一”?他说。要回答这个问题,“需要解决谁与谁有关”?

二变成三

对于半个世纪前的科学家而言,地球上的生命分为两类:真核生物,具有细胞的生物,这些细胞包含膜包裹的内部结构,例如核;和原核生物,通常缺乏内膜的单细胞生物。细菌是生物学家唯一知道的原核生物。然后,在1977年,进化生物学家卡尔·沃斯(Carl Woese)和他的同事们将古细菌描述为第三种独特的生命形式-可以追溯到数十亿年前。伍斯说,生活应该分为三个垃圾箱,而不是两个。

他并非没有批评者。在1980年代,位于加利福尼亚大学洛杉矶分校的进化生物学家詹姆斯·莱克(James Lake)提出,真核生物是古细菌的姐妹,他称其为“ eocytes”,即黎明细胞3,4。这个想法演变为两域方案。

Lake和Woese为争夺自己的模特而苦战,最终在1980年代中期举行了一场传奇性的呐喊大战。之后,Woese“ idn”想和Jim Lake见面吗?巴黎巴斯德研究所的微生物学家Patrick Forterre说。莱克对此并不置疑。他说:“这确实是一场辩论,有大量的政治活动。”伍斯于2012年去世。

今天,关于真核生物来自何处的争论已经成熟。双方都同意,真核生物的起源可能涉及一个称为共生的步骤。由已故生物学家林恩·马格里斯(Lynn Margulis)提倡的这一理论认为,一个活着的简单宿主细胞在某种程度上以某种方式吞噬了细菌,并且两者之间建立了互利的关系。这些捕获的细菌最终演变成线粒体(“产生能量的细胞亚结构”),而杂合细胞变成了现在被称为真核生物的细胞。

吞噬细胞的本质是两个阵营之间的分歧所在。正如三域坚持者所说,吞噬者是祖传微生物,现已灭绝。根据福特雷(Forterre)的说法,它是“代真核生物”,既是现代古细菌也不是现代真核生物。在此模型中,早期发展存在几个主要分歧。第一次发生在数十亿年前,当时原始生物同时产生了细菌和一组灭绝的微生物。后者分为古细菌和真核生物。

然而,在两域世界中,原始生物产生了细菌和古细菌。最终吞下致命细菌的生物是古细菌。这将使所有的真核生物成为古细菌的一个过分实现的分支,或者像某些科学家所说的那样,成为一个“荣肠虫域”(参见“辩论中的人类”)。

扰乱消息

如果没有用于微生物的返回机器,则很难对这些假设进行分类。最早的真核生物的化石记录稀疏,而且实例难以理解。科学家们必须取而代之的是依靠现代生物的基因组中记录的记录,这些记录本身已经随着时间的流逝而变得混乱。英国布里斯托大学的计算进化生物学家汤姆·威廉姆斯说:“正在尝试使用现代序列数据解决可能在数十亿年前发生的事情。”这不是一件容易的事。

当前的基因测序技术推动了这场辩论。直到最近,试图鉴定特定栖息地中细菌或古细菌的科学家们仍必须在实验室中培养这些生物。现在,研究人员可以通过挖掘DNA并使用数学工具(一种称为元基因组学的技术)对其进行分析,来评估水或土壤样品中的微生物多样性。在2002年,科学家们知道了古细菌的两个类别(或门)。今天,由于有了宏基因组学,分组的数量猛增了。

进化科学家已经迅速利用了不断增加的赏金。他们使用最新的强大建模技术,创建了进化树森林,详细描述了古细菌之间的家族关系。在许多情况下,结果将真核生物置于古细菌的等级之内。

威廉姆斯说:“在我们看来,证据的确确实转移到了两个域的单核细胞树上。”但是对于某些人来说,辩论仍然缺乏数据。

然后,在2015年,当时由瑞典乌普萨拉大学的进化微生物学家Thijs Ettema领导的小组发表了Lokiarchaeota的DNA序列,该序列在五年前疏sediment的沉积物中被发现1。在两年内,Ettema团队和其他研究人员宣布发现了与Lokis5,6相关的三个新的古细菌门。整个新门群以北欧诸神的王国命名为Asgard。

Asgard古细菌很小,但事实证明它们很强大。他们重新激发了关于生命域真实数量的争论。并且它们提供了有关引起第一类真核生物的细胞性质的诱人暗示,即至少是两个结构域的支持者。

就像他们的同名人物一样,Lokiarchaeota和他们的亲戚回避了简单的描述。它们无疑是古细菌,但是它们的基因组包含与真核生物中发现的某些基因相似的大杂草。例如,Loki DNA包含肌动蛋白的遗传指令,肌动蛋白是在真核细胞中形成骨架样框架的蛋白质。这些基因似乎太不合时宜了,发现它们的研究人员最初担心污染是罪魁祸首。“泪说,”-那怎么可能?难道这真的是一个古细菌基因组吗?特塞尔皇家荷兰海洋研究所的进化微生物学家Anja Spang回忆道。

进化模型加强了阿斯加德古细菌与真核生物之间的紧密联系。由埃特玛(Ettema)团队建造的树木将所有真核生物置于Asgard分组中5,7。

现在,许多研究人员正在使用这些古细菌中的数据来绘制真核生物前体的更好图像。在吸收线粒体的前身之前,它可能已经具有真核生物的一些典型特征。埃特玛说:“可能正在进行一些非常原始的膜生物学过程。”

根据今年发表的一项分析7,阿斯加德古细菌的祖先可能以碳为基础的分子为食,例如脂肪酸和丁烷。这种饮食会产生可以滋养伴侣细菌的副产物。这种在微生物中常见的食物共享协议可能已经发展成为一种更加亲密的关系。一个古细菌可能会紧贴其细菌伴侣旁边以缓解营养交换,最终导致最终的拥抱。

但是,这种情况仍然引起怀疑。不信的人中最主要的是Forterre。在仔细阅读了Asgard论文之后,他和他的同事发表了详尽的反驳。

误导标记?

Forterre和他的小组提出一项令Ettema感到愤怒的指控,认为Lokis中发现的某些真核生物样序列是污染的结果。例如,一种名为延伸因子2的Loki蛋白被“真核序列完全污染”?Forterre团队在评论中写道。福特雷现在说他不确定这一点。

但是他和他的同事们仍然坚持对Asgard进化树的批评。甚至那些熟练的造树者也承认,要弄清生活在20亿年前的生物之间的相互关系是很棘手的。生物学家通过对特定的“ arker”(通常是蛋白质或基因)如何在目标生物中随时间变化进行建模来重建这些关系。

Forterre小组表示,Ettema团队无意中选择了误导性标记来构建其树。Forterre和他的小组使用两种大蛋白作为标记物进行了自己的树分析,因为凭借其大小,大蛋白更可能记录所需的信息。结果是三域树。

埃特玛(Ettema)说,福特雷(Forterre)使用的两个标记不足以追踪很久以前发生的事件,这是其他科学家的回应。他说,当埃特玛(Ettema)团队尝试复制Forterre发现时,即使使用了Forterre的两种蛋白质,结果仍然是两域结构树。Ettema尚未发布结果。

艾特玛(Ettema)将一些差异归因于学科背景。他说:“阿特里克·福特雷在该领域是一位杰出的科学家,但在洛基斯大学,他的专业知识有所超越。”·福特雷说,他在系统发育学方面具有一定的技能,他的合著者具有更多。

但是,并非所有两个域的支持者都放弃Forterre树。例如,威廉姆斯(Williams)正在使用最新的分析工具建造一棵树,并将其折叠成新的古细菌品种。他希望这项工作将有助于他了解一些Forterre的结果。

这种三域树在科罗拉多大学博尔德分校的微生物学家Norm Pace中也有很高的盟友,他率先提出了一些将微生物置于生命树上必不可少的方法。佩斯说,在很长的一段时间内,一些标记将经历难以追踪的变化。Ettema和其他人使用统计方法来解释这种隐秘的变化,但是Pace拒绝了它们。 ttema和同事声称,他们可以计算出看不见的变化。我声称这是一个愚蠢的假设,佩斯说。但是这些方法被广泛使用。Ettema认为科学家可以使用各种测试来确定这种变化是否正在影响他们的数据。

其他科学家在保留判断力:“三变”是常见的说法。基林说他“完全在篱笆上”?休根霍尔茨也同意“陪审团”吗?尽管两位科学家都说他们认为这两个领域的证据正在增长。

当他们等待沙哑的树落下时,研究人员正在转向其他可能支持两域树的证据。细菌和真核生物在其细胞膜中具有一组脂质,而古细菌膜则包含另一组脂质。两者的混合物被认为是不稳定的。这种“脂质鸿沟”一直是两域支持者的痛处,因为这意味着如果真核生物来自古细菌,他们将不得不从使用古细菌脂质转变为产生细菌形式。

但是,脂质鸿沟不再隐约可见。去年,荷兰研究人员成功地利用含有古细菌和细菌脂质的细胞膜改造了细菌9。科学家还发现黑海中的细菌具有制造两种脂质的基因10。荷兰皇家海洋研究所的微生物学家劳拉·维拉纽耶娃(Laura Villanueva)说,在从古细菌到真核生物的过渡过程中,微生物可能具有这种混合膜。他是研究黑海细菌的团队的成员。

但是对包括Lokis在内的Asgard古细菌的分析仍然有限。巴斯德研究所的进化微生物学家西蒙妮塔·格里巴尔多说:“人们真正等待的是这些血统的分离。”“需要抓住它们,我们需要培养它们。”?/ p>

有些人的新陈代谢缓慢,繁殖速度很慢-“实际上,如果您想生长一种有机体,您不想要的”。Ettema说。只有少数其他科学家承认甚至尝试过。试图培养阿斯加德人的维也纳大学微生物学家克里斯塔·施勒珀(Christa Schleper)称其为“我为金钱申请过的最疯狂的项目”?

尽管微生物难以捉摸,但一个团队已经捕获了所说的Asgard生物的第一批图像。一种类型的图片显示出圆形的细胞,每个细胞都包含紧密的DNA束,类似于定义所有真核生物(细胞核)特征的DNA。捷克科学院生物学中心的生物学家罗希特·盖伊(Rohit Ghai)说,这些图像“很有趣”,但没有定论,他是包含这些图像的预印本的合著者11。

总体情况仍不清楚。在北欧的传说中,Loki经常播种“混乱的东西”,然后又重新设置一切。当Lokiarchaeota及其亲戚从阴影中浮出水面时,两域支持者希望他们解决关于复杂生命起源的长期争论。但这可能需要一段时间。Spang笑着说:“当我们发现Asgard古细菌时,我们以为可以说服所有人。”“情况如何?”

自然569,322-324(2019)

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