堪比植物诞生！地球生命的第四次飞跃 正在这种藻类身上发生

不知道大家有没有想过，地球上复杂生命到底是如何进化的？

在以前，其实生物学家普遍认为，生命从简单到复杂是理所当然，是必然发生的，但实际上，地球生命经历了非常漫长的简单生命阶段——大约占了地球年龄的一半以上。

另一方面，现在地球上的简单生命和复杂生命形式存在巨大的鸿沟，完全不存在“中间体”，这不像是一种循序渐进地从简单到复杂的转化。

如果生命从简单到复杂是一个循序渐进的过程，那么我们现在地球上依然会生活着许多那些跨越鸿沟的生命形式。

所以，地球生命从简单到复杂应该是一次次质的飞跃造就的，从简单到复杂，

我们现在可以知道，这次飞跃的本质就是生命找到了线粒体，它让简单的原核细胞变成了更复杂真核细胞，进而才有了复杂的生命体。

图：线粒体示意图

一旦细胞有了线粒体，它们就可以克服阻止细菌、古细菌等原核生物长大的基本障碍——一个关于能量使用的障碍。

细胞的通用能量货币——ATP是在细胞膜上制造的，随着细胞变大，它的表面积与体积之比下降，从而可用的膜相对就减少。

换句话说，随着原核细胞变得越来越大，它们的能量需求很快就会超过供应，从而无法自我维持。

而具有线粒体的真核细胞可以通过添加更多线粒体来克服这个问题，而且非常容易做到，因为线粒体本身具有复制自己的能力。

现在地球所有复杂生命都来自一个共同祖先——一个获得线粒体的原核细胞。

因为它有了线粒体的加持，进化上可以随意自由发挥，它们可以积累更大、更复杂的基因组，从而让复杂生命成为可能。

图：现在的叶绿体和光合作用蓝细菌结构基本一样

地球生命历史上还有一次质的飞跃，就是生命在大约10亿年前获得了叶绿体，真核细胞的这次改变为之后植物的诞生奠定了基础。

关于地球生物如何获得线粒体和叶绿体，有几个不同的假说，但就目前来看，最被认可的是内共生假说。

该假说认为真核细胞通过吞噬那些拥有特殊能力的细菌，这些细菌在真核细胞的体内，与真核细胞互利互惠的共生。

但是随着时间推移，共生关系越来越紧密，以至于那些细菌完全转化成了真核细胞的一部分——被称为细胞器，执行细胞的特定功能。

除了线粒体和叶绿体之外，目前已知生物通过这种（真核生物吞噬细菌）方式得到细胞器的例子还有一个，被称为色素体。

这个例子相对来说有点鲜为人知，但正是因为它的存在，才让鱿鱼和章鱼等头足类动物变色成为可能。

然而，无论是线粒体、叶绿体，还是色素体，它们都已经被判定为是细胞器，而不是单独的细菌。

最近，分别发表在《细胞》和《科学》杂志上的两篇开创性文章揭示了一种正在诞生的、由真核细胞吞噬原核细菌内共生产生的细胞器，这可能是地球生命史已知的第四次。

这个 细胞器现在被命名硝基体（nitroplast），他让真核生物拥有固氮的能力——将大气中的氮气分子转化成生命活动所需的含氮化合物。

在发现硝基体之前，真核生物被认为是没有固氮能力的，所以我们的粮食作物要增产的话，施加氮肥是必不可少的。

你可能会说，大豆这种植物不就有固氮能力吗？

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图：大豆的根部

它们其实并不是自己在固氮，而是通过与细菌共生实现的，你如果看过大豆的根，你就会知道，大豆的根部有一块一块的瘤状组织，这就是与大豆共生的固氮细菌——根瘤菌造成的。

地球生命找到固氮方式比我们想象得要早得多——固氮细菌甚至可能比最早光合作用的细菌还要早出现，据信氮酶至少在22亿到15亿年前就已经出现了。

虽然细菌很早就学会固氮，但是真核生物从来没有得到这种能力，在硝基体之前，生物学家认为所有固氮的真核生物都是因为共生。

在这两篇文章发布之前，科学家同样也觉得“硝基体”只是一种藻类内共生的细菌。

黑色标记的那个就是硝基体，图源：Tyler Coale

硝基体来自什么细菌？

1998年，加州大学圣克鲁斯分校教授乔纳森·泽尔 (Jonathan Zehr) 领导的团队在太平洋中发现了一种具有固氮能力的蓝细菌新物种。

该团队将这个新的固氮蓝细菌命名为UCYN-A，这个就是硝基体的前身了，或者“野生模式”了。

几乎与发现UCYN-A差不多时间，日本高知大学的古生物学家萩野恭子在实验室中开始积极尝试培养一种具有固氮能力的藻类——这个藻类被称为raarudosphaera bigelowii，最后证明它是 UCYN-A 的宿主生物。

经过十多年的努力，萩野恭子成功在实验室中培养出这种包含UCYN-A的藻类，这为之后研究两者超凡的共生关系提供了帮助。

伴随宿主细胞分裂而分裂的硝基体，图源：Valentina Loconte

凭什么UCYN-A已是细胞器？

细胞器也是有定义的，它至少需要符合两个标准：必须通过细胞分裂遗传和依赖宿主细胞提供的蛋白质。

发表在《细胞》上的文章揭示，UCYN-A和它的宿主藻类细胞生长是同步的，并受到营养物质交换的控制，这个非常符合细胞器的标准。

发表在《科学》上的文章则揭示，UCYN-A从宿主藻类细胞那里获取蛋白质，这表明UCYN-A已经放弃了一些自有的细胞机制，转而依赖宿主发挥作用。

这个就符合第二个标准，因为细菌开始丢弃自己的DNA，转向依赖母细胞，就是细胞器发生的情况。

所有这些发现证实了UCYN-A在raarudosphaera bigelowii已经变成了一个细胞器（硝基体），而不是一个独立的细菌。

图：古细菌

最后

相较于线粒体、叶绿体数十亿年的存在时间，硝基体是一个非常“年轻”的细胞器，它可能是最近1亿年内才开始在真核细胞内逐渐演化。

目前没人知道硝基体会不会像线粒体、叶绿体，以及色素体那样深刻影响地球生命演化，但有一点是明确的，硝基体肯定不会是最后一个。

在它之后和在它之前肯定还有很多细菌正在或者已经被真核细胞转化——有些可能甚至比线粒体还久远，只是它们的影响力不大，没有被人发现而已。

报道原文：https://www.iflscience.com/the-once-in-an-eon-event-that-gave-earth-plants-has-happened-again-73878

文献：

1.https://doi.org/10.1126/science.adk1075

2.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016