地球上的生命为何如此复杂，这些复杂生物是如何进化的？
直至今日，这仍是生物学中最大的谜团之一。最近，维也纳大学和苏黎世联邦理工学院的微生物学家通过在实验室培育一种特殊的的古菌，朝着回答这个问题向前迈进了一大步。
最接近真核生物的古菌
科学家将生命主要分为三域：细菌、古菌和真核生物。
真核生物包括动物、植物和真菌，是地球上最复杂的多细胞生物。它们的细胞通常更大，遗传物质被包裹在细胞核中。在真核生物的细胞中，有能提供能量的细胞器——线粒体，还有包含内质网在内的细胞膜网络，以及复杂的由肌动蛋白和微管蛋白组成的细丝构成的细胞骨架。
与真核生物相比，古菌与细菌要相似得多。它们通常都没有线粒体，也没有包裹在细胞核内的DNA。
目前，一种主流的进化理论假设，真核生物（包括动物、植物和真菌）是通过阿斯加德古生菌和细菌的融合而产生的。（图/ETH Zürich）
许多科学家认为，早期的真核生物是通过古菌和细菌的两种微生物的细胞合并产生的，源自于大约20亿年前古菌和细菌之间的密切共生。但这一观点尚未得到证实。
2015年，一组科学家在对深海环境进行研究时，从沉积物样本中发现了有着真核生物基因的奇怪古菌。到了2017年，科学家又在另外几种古菌中发现了类似的基因。
这些古菌被统称为阿斯加德超门（Asgard archaea），它们被认为是系统发生树中，最接近真核生物的一类古菌，有望帮我们解答有关生命起源和生命复杂性的问题。
新的阿斯加德古菌
若想要通过阿斯加德古菌来解答这些问题，科学家需要直接用阿斯加德古菌的细胞来进行研究。
然而，过去的研究表明，这是一类非常难以在实验室培育的敏感生物，任何成功的培育都可能要经过数年艰辛的反复试验。虽然已有不同的研究团队在实验室中培育并分离出了这些神奇的生物，但到目前为止，科学家尚不能以一种可以详细描述这些微生物的细胞结构和细胞生物学的方式将它们培育出来。
在新的研究中，研究团队成功地培养出了一种新的阿斯加德古菌，暂时将其命名为Lokiarchaeum ossiferum。它们来自斯洛文尼亚皮兰海岸附近的沉积物中，在那些沉积物中有着相对较高的丰度，非常适合进行各项深入研究。
Lokiarchaeum ossiferum的培育取得了很大的成功。然而，这些新的阿斯加德古菌有着长长的触须，非常的“脆弱”，很难从一个培养瓶转移到另一个培养瓶中进行浓缩，也难以在显微镜下对它们进行染色研究。
冷冻电镜下的古菌
最终，研究人员设计了一种方法，使它们可以生长较高的浓度，从而足以使用冷冻电子断层成像术对其进行观测的浓度。冷冻电子断层成像术能将细胞急速冷冻，再用电子显微镜对其进行多角度观察，创建出合成图像，为了解细胞的内部机制提供三维视角。
冷冻电子断层成像术为新培育的阿斯加德古菌的细胞结构提供了深刻的见解。左边的灰色图像显示了Lokiarchaeum ossiferum在电子显微镜下的图像；右边的艺术插图则突显了由肌动蛋白构成的细丝网络（橙色），它们与复杂细胞的细胞骨架类似，蓝色部分显示的是其独特的细胞包膜。（图/FLORIAN WOLLWEBER AND MARTIN PILHOFER/ETH ZÜRICH; NATURE）
成像结果显示，这些新的阿斯加德古菌细胞具有复杂的细胞形状。这些细胞由圆形细胞体组成，带有许多隆起和缢痕。有时，这些隆起的触手状结构甚至会连接不同的细胞。
此外，研究人员还在这些细胞内看到了蛋白丝网络——这是只在复杂的真核细胞中观察到过的特征，与真核细胞中构成细胞骨架的肌动蛋白丝非常相似。这表明，在第一批真核生物出现之前，复杂的细胞骨架结构就已经出现于古菌中了。
故事才刚刚展开
研究人员相信，这些新的古菌将有望带来进一步的突破性见解。虽然问题尚未被彻底解决，但利用来自这项研究的经验，未来研究人员将可以更好地培育其他阿斯加德古菌。而新研究所使用的成像法，也将可以用来研究阿斯加德古菌与细菌的共生作用。
重要的是，利用这些技术，还有许多的细胞生物学过程（如细胞分裂）可以研究，以阐明这些机制的进化起源。
#创作团队：
撰文：糖兽
排版：雯雯
#参考来源：
https://biol.ethz.ch/en/news-and-events/d-biol-news/2022/12/exploring-the-origin-of-complex-life.html
https://www.science.org/content/article/strange-tentacled-microbe-may-resemble-ancestor-complex-life
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04450-5
#图片来源：
封面图 & 首图：Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah
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发表于 2022-12-24 22:49
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