两种生命形式在十亿年一遇的进化事件中合并

迈克尔·欧文

科学家们发现，一种名为Braarudosphaera bigelowii的藻类吸收了一种名为UCYN-A的蓝藻，这可能是进化的一大进步

上次发生这种情况时，地球上有植物。

科学家们捕捉到了十亿年一遇的进化过程，两种生命形式合并成一个有机体，拥有其同类都羡慕的能力。上次发生这种情况时，地球上有植物。

这种现象被称为初级内共生，当一种微生物吞噬另一种微生物，并开始像利用内部器官一样利用它时，就会发生这种现象。作为交换，宿主细胞为共生体提供营养、能量、保护和其他好处，直到最终它不能再独立生存，基本上最终成为宿主的一个器官——或者在微生物细胞中被称为细胞器。

想象一下，如果肾脏实际上是跑来跑去的小动物，人类必须通过透析机手动过滤血液。然后有一天，某个家伙不知道怎么把这些肾小动物卡住了…从内心(我们又有什么资格去判断呢?)——意识到他不再需要透析机了。他的孩子也不会，直到我们出生时体内都有这些乐于助人的小家伙。这就是这里正在发生的事情。

细胞内线粒体的示意图。国家人类基因组研究所

在地球上40多亿年的生命历史中，据我们所知，初级内共生只发生过两次，每一次都是进化的巨大突破。第一次发生在大约22亿年前，当时一种古细菌吞下了一种成为线粒体的细菌。这种特殊的能量生产细胞器允许基本上所有复杂形式的生命进化。直到今天，它仍然被誉为“细胞的发电站”。

第二次发生在大约16亿年前，当时一些更高级的细胞吸收了可以从阳光中获取能量的蓝藻。它们变成了被称为叶绿体的细胞器，叶绿体赋予了一种你可能听说过的生命形式——植物——收集阳光的能力，以及一种迷人的绿色。

显微镜下的活苔藓细胞，显示其叶绿体(绿色圆圈)

现在，科学家们发现这种情况又发生了。一种叫做Braarudosphaera bigelowii的藻类被发现吞噬了一种蓝藻，这种蓝藻可以做一些藻类和一般植物通常做不到的事情——直接从空气中“固定”氮，并将其与其他元素结合，产生更有用的化合物。

氮是一种关键的营养物质，通常情况下，植物和藻类通过与细菌的共生关系获得氮。起初，人们认为B. bigelowii将这种情况与一种名为UCYN-A的细菌联系在一起，但经过仔细观察，科学家们发现两者的关系要亲密得多。

在最近的一项研究中，一个研究小组发现，在不同的相关种类的藻类中，藻类和ucn - a之间的大小比例保持相似。它们的生长似乎受到营养物质交换的控制，从而导致相关的代谢。

“这正是细胞器所发生的事情，”该研究的作者之一乔纳森·泽尔(Jonathan Zehr)说。“如果你观察一下线粒体和叶绿体，就会发现它们是一样的:它们与细胞成比例。”

在后续研究中，该团队和其他合作者使用了强大的x射线成像技术来观察活藻类细胞的内部。这表明宿主和共生体之间的复制和细胞分裂是同步的，这是初级内共生作用的更多证据。

细胞分裂不同阶段的x线影像。新发现的硝化质体以青色突出显示，藻类细胞核是蓝色的，线粒体是绿色的，叶绿体是紫色的

最后，研究小组将分离的UCYN-A蛋白与藻类细胞内的蛋白进行了比较。他们发现，这种分离出来的细菌只能产生大约一半所需的蛋白质，其余的依赖藻类宿主提供。

泽尔说:“这是某种生物从内共生体向细胞器转变的标志之一。”“它们开始丢弃DNA片段，它们的基因组变得越来越小，它们开始依赖母细胞将这些基因产物或蛋白质本身运送到细胞中。”

总之，研究小组表示，这表明UCYN-A是一个完整的细胞器，它被称为硝基质体。这似乎是在大约1亿年前开始进化的，听起来很长，但与线粒体和叶绿体相比，这只是一眨眼的功夫。

研究人员计划继续研究硝化质体，以确定它们是否存在于其他细胞中，以及它们可能产生的影响。一个可能的好处是，它可以为科学家提供一种新的途径，将固氮作用结合到植物中，以种植更好的作物。

这项研究发表在《细胞》和《科学》杂志上。

来源:伯克利实验室