十亿年来，两种生命形式首次真正融合成一个有机体

进化是一个奇妙而漫长的过程，其中有一些随机的活动爆发，这些活动导致了当今地球上生命的多样性。这些活动可以大规模发生，例如更高效的肢体的进化。它们也发生在微观细胞层面，例如细胞的不同部分首次形成时。

现在，一组科学家发现了一个重大生命事件的迹象，该事件可能至少有 10 亿年没有发生过。他们观察到了原始内共生——两种生命形式融合成一个生物体。这种极其罕见的事件发生在一种丰富的海洋藻类和一种细菌之间，是在实验室环境中观察到的。从另一个角度来看，上次发生这种情况时，植物才开始遍布我们的星球。研究结果发表在《细胞》和《科学》杂志上的两篇论文中。

细胞的“动力源”和叶绿体从何而来

初级内共生发生在一种微生物吞噬另一种微生物时。然后，它开始将吞噬的微生物用作内脏器官。宿主为微生物（现在称为内共生体）提供多种益处，包括营养、能量和保护。当微生物无法再独立生存时，被吞噬的内共生体就成为宿主的器官，称为细胞器。

“细胞器从这些物质中产生的情况非常罕见，” 《细胞》杂志研究报告的合著者、加州大学圣克鲁斯分校的博士后学者泰勒·科尔在一份声明中说。“我们认为这种情况第一次发生时，它导致了所有复杂生命的产生。”

宿主生命形式成为另一种生物体功能的基础的内共生现象仅发生过三次。所有这些情况都是进化的重大突破，因为与宿主融合成为内共生体存在的基础。

第一次事件发生在大约 22 亿年前。当时一种名为古菌的单细胞生物吞噬了一种细菌，而这种细菌最终变成了线粒体。这种特殊的细胞器是每个生物学学生都知道的“细胞的动力源”，它的形成使得复杂的生物得以进化。

“所有比细菌细胞更复杂的生物都源于这一事件，”科尔说道。“大约十亿年前，叶绿体也发生了类似事件，从此植物诞生了，”科尔说道。

第二个事件发生在更先进的细胞吸收蓝藻时。蓝藻可以从阳光中获取能量，最终成为叶绿体，可以从阳光中获取能量。叶绿体给了我们另一个生物学核心原理——绿色植物可以从太阳中获取食物。

在最近的内共生事件中，藻类可能将大气中的氮转化为氨，用于其他细胞过程。然而，这需要细菌的帮助。

新的细胞器？

在《细胞》杂志发表的论文中，一组科学家表明，这个过程再次发生。他们研究了一种名为Braarudosphaera bigelowii的藻类。这种藻类吞噬了蓝藻，使其拥有了一点植物超能力。它可以直接从空气中“固定”氮，并将其与其他元素结合形成更有用的化合物。这是植物通常无法做到的事情。

氮是生命存在的重要营养物质，植物通常通过与独立于植物或藻类的细菌的相互关系来获取氮。该团队最初认为B. bigelowii藻类与一种名为 UCYN-A 的细菌存在这种共生关系。这种关系实际上变得更加密切和严肃。

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他们发现，在与B. bigelowii藻类相关的不同物种中，藻类和 UCYN-A 细菌之间的尺寸比保持相似。生长似乎由关键营养物质的交换控制，从而将它们的新陈代谢联系起来。这种生长速度的同步使得研究人员将 UCYN-A 称为类细胞器。

“这正是细胞器所发生的情况，”研究合著者、加州大学圣克鲁斯分校微生物海洋学家乔纳森·泽尔在一份声明中说。“如果你观察线粒体和叶绿体，你会发现它们是一样的：它们随细胞缩放。”

硝化塑料简介

为了寻找更多证据表明这种细菌是一种细胞器，他们需要更深入地观察其内部。发表在《科学》杂志上的这项研究利用先进的 X 射线成像技术来观察活体B. bigelowii藻类细胞的内部。研究显示，宿主藻类和 UCYN-A 细菌之间的复制和细胞分裂是同步的。这为这种生物体融合的初级内共生过程提供了更多证据。

“在这篇论文发表之前，人们一直存在一个疑问：这是否仍是一种‘内共生体’，还是已经成为一种真正的细胞器？”这项研究的合著者、伯克利实验室生物科学领域的教职科学家、国家 X 射线断层扫描中心主任卡罗琳·拉拉贝尔 (Carolyn Larabell) 在一份声明中说道。“我们通过 X 射线成像显示，藻类宿主和内共生体的复制和分裂过程是同步的，这提供了第一个强有力的证据。”

他们还将分离的 UCYN-A 细菌的蛋白质与藻类细胞内的蛋白质进行了比较。研究小组发现，分离的细菌只能制造其所需蛋白质的大约一半。它需要藻类宿主为其提供生存所需的其余蛋白质。

“这是从内共生体转变为细胞器的标志之一，”泽尔说。“它们开始丢弃 DNA 片段，基因组变得越来越小，它们开始依赖母细胞将这些基因产物（或蛋白质本身）运送到细胞中。”

研究小组认为，这表明 UCYN-A 可以被视为一个完整的细胞器。他们给它命名为“硝化体”，它可能在大约 1 亿年前开始进化。虽然这听起来对人类的时间观念来说很长，但与线粒体和叶绿体相比，它在进化时间上只是一毫秒。

关于 UCYN-A 及其藻类宿主的许多其他问题仍未得到解答，该团队还计划弄清楚 UCYN-A 和藻类的运作方式并研究不同的菌株。对硝化体进行进一步研究还可以确定它们是否存在于其他细胞中以及它们可能带来哪些好处。例如，它可能在农业中得到广泛应用。

科尔说：“该系统为固氮研究提供了一个新视角，它可能为如何将这种细胞器设计到农作物中提供线索。”

泽尔表示，科学家很可能会发现其他具有与 UCYN-A 类似进化故事的生物，但这一发现“堪称教科书上的发现”。