慕尼黑路德維希馬克西米利安大學科學家對一組神秘單細胞生物的生態學進行了一項新研究，支持了氫在真核生物（第一個有核細胞）的進化中發揮了重要作用的觀點。地球生命生物進化史上最重要的發展之一發生在大約20億年前，第一批真核生物出現（含有獨特細胞核的單細胞生物）。這第一個真核血統隨後將產生包括植物和動物在內的所有高等生物，但其起源尚不清楚。
幾年前，微生物學家分析了海洋沉積物中的DNA序列，這為這個問題提供了新線索。這些沉積物是在北冰洋大西洋中部山脊上一個名為洛基城堡（以北歐火神命名）的熱液噴口中被發現。對它們所含DNA分子的測序顯示，它們來自一組以前不為人知的微生物。雖然DNA來源的細胞不能直接分離和鑑定，但序列數據表明它們與古生代有密切的親緣關係。因此，研究人員將這個新的類群命名為洛基考古塔。古生菌和細菌門是已知最古老的單細胞有機體譜系。
引人注目的是，洛基考古群的基因組表明，它們可能表現出其他真核生物特有的結構和生化特徵。這表明洛基考古群可能與真核生物的最後一個共同祖先有親緣關係。事實上，來自洛基城堡的洛基考古群DNA系統基因組分析有力地表明，它們是從真核生物和古生代最後共同祖先之一的後代中派生出來的。路易斯安那州立大學地球與環境科學系的威廉·奧爾西教授與奧爾登堡大學和馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的科學家合作。
現在已經能夠直接檢查洛基考古群的活動和新陳代謝。這些結果支持洛基考古群和真核生物之間的關係，併為第一批真核生物進化的環境性質提供了線索，這項新發現發表在《自然微生物學》期刊上。真核生物最有可能出現的情況是，它們起源於一種共生關係，在這種共生關係中，宿主是古生物細胞，共生體是細菌。根據這一理論，細菌共生體隨後產生了線粒體，線粒體是負責真核細胞能量生產的細胞內細胞器。
一種假說認為，古生菌宿主的新陳代謝依賴於氫，線粒體的前體產生了氫。這一“氫假說”假設，這兩個配對細胞可能生活在富含氫的缺氧環境中，如果它們與氫源分離，它們將變得更加依賴彼此生存，有可能導致內共生事件。如果洛基考古群，作為這個假定的烏爾考古群后代，也依賴於氫，這將支持氫的假說。然而，到目前為止，這些古生物在其自然棲息地的生態狀況還是個猜測。現在首次表徵了從納米比亞海岸外，廣泛缺氧地區海底沉積物巖芯中提取的洛基考古塔的細胞新陳代謝。
通過分析這些樣本中存在的RNA來做到這一點，RNA分子從基因組DNA複製而來，作為蛋白質合成的藍圖。因此，序列反映了基因活性的模式和水平。序列分析顯示，這些樣本中的洛基考古菌數量是細菌的100到1000倍。這有力地表明，這些沉積物是它們的有利棲息地，促進了它們的活動。研究人員能夠在實驗室的沉積物樣本中，建立洛基考古群的富集培養。這使得他們能夠使用碳同位素作為標記來研究這些細胞的新陳代謝。
結果表明，這些微生物利用一個複雜的代謝途徑網絡。此外，這些數據證實了洛基古菌確實使用氫氣固定二氧化碳。這一過程提高了新陳代謝的效率，並能讓這些物種保持高水平的生化活動，儘管它們的缺氧自然棲息地的能量有限。實驗證據證實了第一個真核細胞的氫假說，因此，最早的真核生物可能起源於缺氧和富含氫的海洋沉積物，例如今天現代洛基考古動物群特別活躍的那些沉積物。
博科園｜研究/來自：慕尼黑路德維希馬克西米利安大學
參考期刊《自然微生物學》
DOI: 10.1038/s41564-019-0630-3
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