让一群盲人触摸大象，一个人可能会说它的尾巴是蛇，而另一个人可能会称它的象牙为矛。你身体里的每个细胞都有点像那头大象。如果你问一群科学家关于细胞的问题——特别是，它是如何获得细胞核的——你会得到各种各样的答案，这取决于他们指的是细胞的哪个部分。
过去二十年里，一个广受欢迎的观点源于俄罗斯植物学家康斯坦丁·梅列什科夫斯基。他最早在 1905 年试探性地提出，今天复杂细胞的细胞核曾经自由漫游，但被较大的细胞吸收，因为每个细胞都有东西可以提供给对方。最终它们变得相互依赖，它们的命运交织在一起。用生物学行话来说，他提出细胞核最初是作为内共生体开始其生涯的。
但是，那些研究生命黎明的人们对于这个情景的细节仍然存在强烈分歧，因此，细胞核是如何产生的这个问题似乎远未得到解答。“这是最大的、最大的未解之谜之一：细胞核来自哪里？”杜塞尔多夫海因里希-海涅大学植物学系主任比尔·马丁说。
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找到答案将填补真核生物（字面意思是具有“真核”的细胞）历史上的一个主要空白，真核生物在二十亿年的时间里，已经用从单细胞变形虫和浮游生物到松树、科学家，当然还有大象的一切生物布满了世界。
核分裂
虽然真核生物因其细胞核（基因组所在地）而得名，但它们与无核原核生物——普通的细菌和更奇特的古细菌（它们倾向于生活在极端环境中）——在其他方面有所不同。首先，它们拥有一套复杂的内部纤维，像挑棍一样排列，赋予它们形状并允许它们吞噬食物。原核生物拥有构成这种细胞骨架的蛋白质的版本，但没有形成如此精细的东西。
其次，真核生物包含各种细胞器，即通过膜与细胞其余部分分隔开的内部区室。例如，线粒体等细胞器产生燃料；在植物细胞中，叶绿体制造糖类以分解成燃料。事实证明，它们过去也是内共生体。尽管最初提出时这是一个有争议的想法，但分子比较使这一论点成立：两种细胞器都具有基因组，这些基因组保留了与今天仍然存在的两种不同类型细菌的相似性。
细胞核也与这些细胞器有一些表面上的相似之处：一个双层膜包围着它们；它们每个都有自己的基因组；并且它们都能够繁殖。“当您基本上吞噬一个共生体时，很容易获得[这些特征]，”麻省理工学院研究生命起源的研究科学家海曼·哈特曼说。“[提出]细胞核具有内共生起源并不需要火箭科学家。”
随后的分子数据仅通过揭示真核生物基因组是混合品种而煽起了这些推测性的火焰。遗传序列表明，真核生物用于构建和操纵 DNA、RNA 和蛋白质的基因似乎来自古细菌，而用于代谢和其他细胞功能的基因可能来自细菌。“问题的核心是，真核生物的逻辑与原核细胞的逻辑非常不同，但原核生物对真核生物有巨大的输入，”哈特曼说。
模型的选择
哈特曼在 1984 年提出，当一个假设的细胞（将其遗传信息存储为 RNA 而不是 DNA，并拥有简单的细胞骨架）成为古细菌生物的宿主时，细胞核就产生了。他说，这个理论可以解释为什么 RNA 在真核生物中执行如此丰富的任务——其中包括构建蛋白质、剪切掉其他即将成为蛋白质的 RNA 中不需要的部分以及开启和关闭基因。“当您深入研究 RNA 时，细菌细胞和真核细胞之间就无可比拟了，”哈特曼说。
核基因的混合将来自古细菌客人，后来来自线粒体，线粒体随着时间的推移将其部分基因组放弃给了细胞核。哈特曼正在发表一项研究的结果，该研究发现 300 多个真核基因与原核生物中的任何事物几乎没有相似之处。他将这些基因解释为年代细胞（他称之为早期基于 RNA 的生命形式）的残余。
其他人则从不同的角度尝试研究哪种组合可能孕育了细胞核。加拿大麦克马斯特大学的生物化学家拉德海·古普塔提出，细菌和古细菌融合形成了第一个真核生物，这基于他对一对在可能是最古老的有核细胞之一——贾第鞭毛虫——中发现的慢速变化基因的分析。这两个基因都产生相同的基本蛋白质——其中一种最终与细胞核相关联，另一种在细胞核外。前者更类似于其古细菌对应物，后者更类似于细菌版本。
因此，古普塔提出，细菌可能通过在其外膜中进化出深褶皱，逐渐吞噬了古细菌，这些褶皱最终闭合并取代了客人的膜。然后，这两个基因组将融合为一个，完成转变。他说，宿主获得来自客人的抗生素抗性基因的愿望可能推动了这一系列事件。加州大学洛杉矶分校的分子生物学家吉姆·莱克将古普塔的发现解释为支持两种生物之间更传统的内共生。
进入这场狂野而投机性辩论的最新来者是菲利普·贝尔，他在澳大利亚麦考瑞大学研究酵母分子生物学。他提出，细胞核可能来自一种病毒，该病毒曾经感染古细菌细胞，但最终开始停留下来。与该领域的其他人一样，莱克承认这些模型大多是推测性的，但他对内共生在长期内被证明是正确的机会持乐观态度。“我的直觉是细胞核是内共生体，”他说，“而且我认为这就是我们将要发现的。”
难以吞咽
然而，马丁指出，任何内共生模型都有许多症结所在。首先，虽然包围细胞核的膜看起来与线粒体和叶绿体的膜相似，它们都具有两层，但核膜是独一无二的。它是一层自身折叠的单层膜，其孔隙与细菌中的孔隙非常不同，并且当细胞分裂时它会崩解。其次，即使构建 DNA 和 RNA 的酶在细胞核中工作，但这并不意味着它们的基因必然从那里开始。“许多作者给出的细胞核是内共生体的论点，只是没有被我们对细胞核结构和功能的了解所证实，”新西兰梅西大学的安东尼·普尔总结道。
马丁自己对细胞核诞生的思考源于进一步的考虑——即所有真核生物似乎都在其过去某个时候拥有线粒体。1998 年，他和洛克菲勒大学的同事米克洛什·穆勒根据甲烷生成古细菌和线粒体细菌祖先之间基于相互代谢的共生关系，提出了真核生物起源于此。他们称这个想法为氢气假说，因为细菌为古细菌提供了氢气和二氧化碳，古细菌将其用作燃料并将其转化为甲烷。随着时间的推移，细菌变成了共生体，并将其许多代谢基因转移给宿主。
马丁推测，在某个时候，细菌给了古细菌一个膜合成基因，导致宿主细胞内膜起泡，类似于现代真核生物分裂时发生的情况，然后从内部生长的膜碎片中重新形成细胞核。作为佐证，他引用了其他人发现的产甲烷古细菌和真核生物共享相似的组蛋白，组蛋白是在细胞核中与 DNA 结合的蛋白质。“记住组蛋白！”他说。“那是一种将真核生物与产甲烷菌联系起来的蛋白质，我喜欢它。”
其他人认为，基于氢气的共生可以直接解释细胞核。两位法国生物学家发表了一个模型，描述了相同的驱动力如何将古细菌产甲烷菌和两种细菌变成被具有线粒体的细胞包围的细胞核。莱克也准备发表一份报告，表明氢气假说可能具有更普遍的解释力。“很可能你可以应用它来产生细胞核，”他说。
新斯科舍省达尔豪西大学的生物化学家福特·杜利特尔说，这些模型都无法解释真核生物和原核生物之间的所有差异。“我们真的可能不知道发生了什么。看起来，无论发生什么，它都可能非常复杂且不太明智。”那么这些相互竞争的模型有什么好处呢？正如杜利特尔所见，它们导致研究人员进行实验并收集了许多他们原本不会拥有的信息。“我们必须认识到，我们可能总是会犯错，”他说。“仍然值得努力去找出答案。”