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2014 年 9 月，克里斯特·施莱珀在斯洛文尼亚开始了非同寻常的狩猎之旅。施莱珀没有像往常那样寻找鹿或野猪，而是寻找洛基古菌，或称洛基，这是一组新发现的生物，最初在挪威海岸附近的深海喷口附近发现。这些简单的单细胞生物引起了科学家的兴趣，因为它们与科学已知的任何其他生物都不同。它们属于被称为古菌的古老生物群体，但它们似乎与更复杂的生命形式（包括我们）具有一些共同特征。
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尽管对洛基知之甚少，但科学家希望它将有助于解决生物学中最大的谜团之一：生命如何从简单的单细胞生物转变为被称为真核生物的复杂生物群——这一类别包括从酵母到杜鹃花再到大象的所有生物。“除了生命的起源之外，生命史上可能没有更大的谜团了，”新斯科舍省达尔豪西大学的进化生物学家约翰·阿奇博尔德说。
从单细胞到复杂生物的飞跃是如此令人困惑，因为它代表着巨大的进化鸿沟。“你如何制造一个真核生物，这是一个大问题，”奥地利维也纳大学的微生物学家施莱珀说。“这是一个巨大的转变。”
虽然单细胞生物遍布地球并具有令人印象深刻的生物化学能力（例如，有些可以吃核废料），但它们的结构和形状仍然很简单。构成真核生物的动物、植物和真菌的细胞要复杂得多。它们拥有其简单的同类所缺乏的一系列特征：一个容纳 DNA 的细胞核；一种称为线粒体的能量产生装置；以及一种称为细胞骨架的分子结构，可控制细胞的形状和运动。
大多数生物学家都同意，大约在 20 亿年前的某个时刻，一个没有特征的细胞吞噬了另一个细胞，两者开始作为一个整体协同工作。但是这个过程的细节——这种共生关系是启动了进化过程，还是它发生在通往真核生物的路径的中途——仍然在推动该领域的巨大争议。一组人认为，真核生物是在细胞能量工厂（称为线粒体）的驱动下迅速爆发形成的。另一些人则提出一个较慢的逐步过程。他们说，线粒体不可能在简单的细胞中发育；线粒体出现之前，必须先进化出一定程度的复杂性。这场辩论变得如此激烈，以至于每个阵营的成员都不再参加对方的会议。
由于生物学家无法回到过去，他们会在现存的生物中寻找线索。但是在古代单细胞生命和早期真核生物之间不存在可检测到的中间体，这使得几乎不可能重建进化事件的顺序。“当某件事只发生一次时，就很难解决这个问题，”阿奇博尔德说。“我们只能研究现代生物的 DNA 序列，并试图将它们拼接在一起。”
洛基出现了，一些科学家称其为微生物缺失的环节。它起源于一个古老的血统，是一种具有明显复杂性片段的简单生物。基因分析将洛基明确地置于单细胞古菌中。但是，它拥有一系列有趣的基因，这些基因似乎更适合真核生物，就像现代词语点缀着中世纪的手稿一样。实际上，洛基的遗传机制表明，该生物可能能够吞噬其他细胞，这是线粒体产生的第一步。“这些基因可能为真核生物的产生，即真核生物的出现提供了入门工具，”瑞典乌普萨拉大学的微生物学家蒂斯·埃特玛说，他与施莱珀合作在去年五月的《自然》杂志上首次描述了洛基。
因此，洛基概述了一个新的真核生物潜在起源故事，该故事在两个极端之间走了一条中间道路。线粒体可能在真核生物进化的早期就诞生了。但是，第一个线粒体宿主可能已经拥有了一些复杂的特征，最显着的是吞噬其他细胞的能力。“它暗示[洛基]是通向真核生物复杂性的垫脚石，”阿奇博尔德说。
施莱珀、埃特玛和其他人现在正在寻找新的洛基变种，希望找到一些在进化树上更接近真核生物的变种。施莱珀前往斯洛文尼亚的考察是这项持续狩猎的一部分。这次旅行很成功，但她不愿透露细节，因为担心被抢先。就像淘金者一样，她有自己秘密的方法来找出最有可能找到洛基的地方。然而，她的发现更加珍贵——它们有望揭示复杂生命如何开始的奥秘。
线粒体融合
与它们更原始的古菌祖先相比，真核生物具有许多创新之处。其中最值得注意的是细胞核，它容纳的 DNA 比细菌和古菌所能容纳的要多得多，以及线粒体，它为制造该基因组产生的许多蛋白质提供能量。
细胞核和线粒体都反映了真核生物生命早期发生的非凡融合。在某个时刻，一个古菌或原始真核生物吞噬了一个细菌，发展了一种共生关系。出乎意料的是，这两个生物变得不可逆转地交织在一起。驻留细菌越来越依赖其宿主细胞，放弃了其绝大多数基因，其中一些基因最终进入了细胞核。结果是进化史上的一项独特发展，诞生了线粒体。
伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩说：“进化史的 40 亿年里，一个单一事件塑造了真核生物的整个未来进化——这有点奇怪。”“它很可能会出错，因为这两个生物必须弄清楚如何相处并同步它们的生命周期。”
线粒体究竟是如何以及何时出现的，是围绕真核生物起源的最大争议之一。线粒体是早期出现的，还是真核生物随着时间的推移逐渐发展，并在途中某个地方获得了线粒体？
阿奇博尔德说：“该领域实际上一直纠结于真核细胞复杂性的主体是在线粒体进化之前、期间还是之后出现的问题。”这场辩论非常激烈，以至于当埃特玛开始探索这个问题时，同事们告诉他这将是自毁职业生涯。
第一个选项，称为大爆炸或线粒体早期理论，预测一个原始古菌吞噬了一个细菌，这一事件推动了真核生物的发展。但是，尚不清楚古菌是如何获得该细菌的。科学家只知道细菌生活在其他细菌内的两种情况。（另一方面，真核生物经常携带共生细菌。）马里兰州贝塞斯达国家生物技术信息中心的进化生物学家尤金·库宁说：“这是线粒体优先方案面临的最大障碍之一。”
第二个选项，有时称为慢滴或线粒体后期理论，假定原始真核生物在获得线粒体时已经开始发展复杂的特征——特别是吞噬猎物的能力。根据这一理论，最古老的真核生物应该缺少线粒体。
证据曾经似乎指向这个选项。例如，许多寄生虫，例如贾第鞭毛虫，缺少线粒体。科学家最初认为这些寄生虫从未拥有过这种细胞器。但是在最近几年，很明显这些生物只是在进化过程中失去了线粒体。
洛基的发现为这两组人之间开辟了一种中间地带。这是一个相对简单的细胞，可能具有吞噬细菌的机制，这是产生线粒体的第一步。洛基拥有许多通常在真核生物中发现的基因，包括与动态、可变形的细胞骨架相关的基因。在真核生物中，这些基因使细胞膜能够改变形状。例如，变形虫通过改变形状来移动和吞噬猎物。“这是一个非常真核生物特有的过程，而且我们第一次在古菌中发现了它们，”埃特玛说。“这非常令人兴奋。”
库宁说：“具有这些特征（例如细胞骨架）的古菌无疑使[线粒体早期]方案比以前更受欢迎。”
未见之物
洛基的发现有一个主要警告：到目前为止，还没有人见过它。科学家们还无法在实验室中培养它们。他们所能做的就是分离它们的 DNA 并尝试推断它的作用。“我们必须清楚，我们不知道它是什么样子的，”阿奇博尔德说。“它们的生物学是从基因组数据中拼接出来的。”
在微生物学的世界中，这并不罕见。绝大多数微生物都无法按需培养，因此科学家通过分析和比较它们的 DNA 来研究它们。“这就是我们在微生物学中所做的事情，我们根据基因组做出预测，”施莱珀说。“[洛基]的膜中肯定有一些非常特别的东西。”
那种特殊东西的确切性质仍然不清楚。阿奇博尔德和其他人警告说，尽管洛基拥有在其他生物中参与膜重塑的基因，但没有人确定它们在洛基中执行相同的功能。也许它们在这些简单的生物中做一些不同的事情，而膜重塑是在以后进化的。
莱恩并不相信洛基可以吞噬其他微生物——他说，如果没有线粒体，它根本就没有能力。“变得庞大、四处移动、吞噬和消化细胞需要花费大量能量，”莱恩说。他说，在现代细胞中，这个过程涉及 1000 个基因，所有这些基因都需要花费大量能量才能产生。
施莱珀（Schleper）和埃特玛（Ettema）正在努力尝试在实验室中培养洛基（Loki），但事实证明培养它极其困难。最初的样本是从深海挖掘出来的，那里氧气稀少，生物的新陈代谢非常缓慢。一些估计预测，生活在那里的生物每10年才分裂一次。此外，这些栖息在沉积物中的洛基已经适应了海底的极端环境，因此将它们带到水面很可能意味着死亡。埃特玛说，为了让它们存活下来，“你必须非常小心和幸运”。
幸运的是，研究人员发现洛基也栖息在不那么陌生的环境中，他们预计从这些来源获得的样本会更容易培养。自从他们最初的发现以来，施莱珀和埃特玛发现洛基比任何人预期的都要普遍。他们后来在许多环境中发现了新的变种：温泉、浅海沉积物、河流，甚至永久冻土。“这就像一个复活节彩蛋，”埃特玛说。“我们不知道会发现什么，但每个新的基因组都有一些东西在里面。”
寻找洛基样本的部分挑战在于它们往往数量很少，在当地微生物生态系统中属于罕见的。这或许可以解释为什么它们长期以来一直未被发现。此外，施莱珀说，用于调查微生物多样性的方法通常不适合检测古菌。
埃特玛乐观地认为他们会弄清楚如何在实验室中培养洛基。但他警告说，观察活的洛基可能无法解决关于其祖先能力的问题。现在的洛基可能与产生真核生物的古代版本非常不同。即使现代洛基可以吞噬细菌，也不能证明古代的洛基也这样做。它已经进化了20亿年——这段时间足以见证人类从单细胞生物的出现。“人们有点夸大了我们从培养它中会了解到的东西，”埃特玛说。
即使洛基不能解开我们古老起源的谜团，它的发现也显示了仍有多少生物多样性有待发掘。也许下一个发现将是一个没有线粒体历史的真核生物。或者，也许它会是一个体内存在共生细菌的古菌。“这强调了通过对无法在实验室中培养的生物的基因组进行测序，我们可以发现多少新奇之处，”库宁（Koonin）说。“很有可能会发现更多，这些发现可能对我们理解生物学至关重要。”
经Quanta Magazine许可转载，这是西蒙斯基金会的一个编辑独立的出版物
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