古生菌就生存在海底火山附近的极端环境中。图片来源：NOAA Vents Program
真核细胞大概在 20 亿年前出现在地球上，但我们一直并不清楚它从哪里演化而来。现在，有科学家花了 12 年培养出了 10 几亿年前的古生菌，一些演化学说开始站不住脚，而新的演化过程正逐渐展现在我们面前。
编译：石云雷，编辑：杨心舟
古生菌，第三个重要成员
地球上，最早的原核细胞祖先大约出现在 30 亿年前，而它们经过 10 亿年的演化之后，才出现了最早的真核细胞祖先，而人类也是由这些真核细胞逐渐演化才产生的。
与原核细胞相比，真核细胞具有多种典型的细胞器和由核膜包括的细胞核，这让它们能向更复杂、更高级的生物演化。真核细胞被认为是地球生活史上的重大进化创新之一。但真核细胞更复杂，并且与原核细胞已经出现了隔离，因此想要了解真核细胞的演化过程就更加困难。
真菌是一种简单的真核生物，关于真菌的形成过程，存在着很多猜想。美国生物学家 Lynn Margulis 在整理大量研究和观察数据后，于 1970 年提出了“内共生学说”。这个学说认为，线粒体起源于能进行氧化磷酸化的细菌，而叶绿体则起源于能进行光合作用的蓝细菌，这些细菌被变形虫状的原始真核细胞所吞噬后，逐渐演化成了多样化的真核生物。虽然这个猜想一直没有得到证明，但是也被大家所接受。
20 世纪 70 年代，美国伊利诺伊大学微生物系的教授 Carl Woese 发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，他发现了一种外形上与大肠杆菌相似、能产生甲烷的微生物。这种微生物的核糖体 RNA 与大肠杆菌等大多数细菌具有明显的差异，而与生活在高盐、温泉或火山口环境中的微生物具有更近的亲缘关系。
Carl Woese 提出了著名的“三域学说”
Woese 根据微生物核糖体 RNA 的差异，划分了所有微生物的亲缘关系，并提出了划时代的“三域学说”。而 PNAS 上发表的这类微生物被单独划分出来，并且由于它们的生活环境更接近于早期地球，被命名为“古生菌”。这个“域”的概念比“界”更广，在 Woese 的理论中，三种域包括，细菌、古生菌和真核生物。
同时，Woese 还惊讶地发现，古生菌与真核生物存在一些相似性，包括以甲硫氨酸为起始氨基酸的蛋白质合成方式，DNA 具有内含子并结合组蛋白，具有真核细胞相似的 RNA 聚合酶等。
与真核生物相似
在格陵兰岛和挪威之间的海域中，有一片被称为“洛基城堡”（Loki’s Castle）的大洋中脊。这里充满了热泉口，时不时就有超高温的液体从洞口喷涌而出。卑尔根大学的 Steffen Jorgensen 曾冒险涉足了这片区域，他在距离“洛基城堡”15 千米，深达 3283 米的海底，采集了一份珍贵的样品。
当这份样品转移给乌普萨拉大学细胞和分子生物学系的教授 Thijs Ettema 时，他提取了样品中的 DNA，并进行了深度基因组测序。利用基因组数据，Ettema 拼接出了一种新古生菌的 DNA。这个来自深海的古生菌，被命名为洛基古菌（Lokiarchaeota）。而 Ettema 最终获得了它 92% 的基因组以及 5381 个蛋白编码基因（Ettema 在 2015 年的论文中已经确认这些基因不可能来自真核生物）。
Thijs Ettema 教授
对于这个新发现的古生菌，Ettema 首先根据它的基因组序列，确定它的演化分支位置。在基于基因组构建的演化树中，真核生物与洛基古菌与关系很近，从遗传谱系来看，它们甚至算得上洛基古菌的姐妹分群。
在蛋白组成上，有三类只在真核细胞中存在的蛋白：细胞骨架蛋白、ESCRT 复合体和鸟苷酸三磷酸酶，洛基古菌都拥有相似的蛋白成分。这些蛋白在真核细胞中参与了各种重要的调控过程，包括细胞骨架重塑、信号转导和囊泡运输。
这项研究于 2015 年于 5 月在《自然》上发表时，Ettema 表示洛基古菌的发现或能解释古生菌与真核细胞存在的相同特征，补充原核细胞在向真核细胞演化过程中缺失的理论空白。
仅在两年之后，Ettema 和研究团队在《自然》上发表了另一篇文章。这次，他们汇集了来自洛基城堡、美国科罗拉多河含水层、黄石国家公园、白橡树河，以及丹麦的奥胡斯湾等地区中的古生菌 DNA。
不负所望，他们在这些地区的研究中又另外发现了与洛基古菌具有亲缘关系的 3 个古生菌门，分别是 Thorarchaeote、Odinarchota 和 Heimdallarchota，并将它们归属到阿斯加德古生菌（Asgard）中。
而 Ettema 更是重建了这 4 种古生菌近乎完整的基因组图谱。他们注意到，阿斯加德古生菌在演化树中的位置同样与真核生物最接近。在基因图谱中，他们检测到大量真核标记蛋白(ESP)基因，同时还包括参与真核细胞的囊泡形成的同源蛋白基因。
这些古生菌中的多种蛋白，可归属于真核细胞的特征“蛋白质库”，而这些正是真核细胞复杂性形成的关键蛋白。在基因和蛋白研究数据的支持下，Ettema 进一步提出真核细胞和古生菌在演化上起源于同一个分支，极大地冲击了 Woese 提出的“三域”学说。
另外，Ettema 对这些阿斯加德古生菌基因组中的小亚基 rRNA 基因进行分析表明，阿斯加德古生菌存在于多种厌氧环境的沉积物中。此前，还没有人能够在真实环境中培养出阿斯加德古生菌，不过现在这一局面发生了改变，因为在最近的一项研究中，日本的微生物学在实验室中培养出了阿斯加德古生菌。
三域学说中的古生菌进化树（b）二域的卵母细胞树（two-domain eocyte tree）
12 年培养成功
科学家曾推测大约 20 亿年前，一个好氧菌被阿斯加德古生菌吸收，之后它在古生菌体内定居并变成线粒体，通过消耗氧气为宿主提供能量。不过目前为止，阿斯加德古生菌存在的大多数证据都来自于独特序列的 DNA 片段。想要培养出阿斯加德古生菌很困难，因为它们生活的环境，如深海海床很少有人类涉足。同时它们生长缓慢，很难被发现。
最近，日本的微生物学家宣称，经过 12 年的努力，他们从深海海床样品中培养出了阿斯加德古生菌 MK-D1。这种菌在基因、蛋白质组成上与真核细胞的相似性以及其细胞的形态特征，可以揭示简单的原核生物向复杂真核生物的演化过程。
Hiroyuki Imachi
早在 2006 年，日本地球科技研究所的 Hiroyuki Imachi 就乘坐潜水器潜入 2500 米深的深海海床，采集了这些样品。在之后的 2000 天里，他们将这份样品培养在生物反应器中，并持续不断地充入深海海床中常见的一种气体—甲烷。
研究人员驾驶潜水器 Shinkai 6500 收集了深海海床的底泥，并从中分离到对复杂细胞的进化有潜在关键作用的微生物。
Hiroyuki 往培养玻璃管中添加了多种营养成分和其它必需物质，并还加入了 4 种抗生素，防止细菌造成污染。在长达一年的死寂后，他们终于在一只玻璃管中检测到了微生物。在分析了样品 DNA 后，他们确定里面含有阿斯加德古生菌，而这也正是他们十多年来梦寐以求的生命。
在培养的早期，Hiroyuki 观察到样品中含有丰富的硫酸盐还原菌。只有当这种菌被抗生素杀死后，古生菌 MK-D1 和产甲烷菌才会逐渐富集，并且这两者表现出一种共生关系。MK-D1 会首先分解食物中的氨基酸，释放出氢气，但氢气的积累可能会导致降低 MK-D1 的生长速度。而共生菌能消耗氢气，促进 MK-D1 的生长和繁殖。这些复杂的协作关系，也正是导致阿斯加德古生菌难以在实验室培养的一个原因。
现在 Hiroyuki 已经获得了 MK-D1 的实体，但这种古生菌繁殖一代，需要长达 20 天的时间。在耐心的等待之后，Hiroyuki 富集了足够数量的古生菌，并可以进行更加深入的研究。Hiroyuki 和同事以在希腊神话中用泥巴创造了人类的普罗米修斯( Prometheus )，将这种古生菌 MK-D1 命名Prometheoarchaeum syntrophicum。
在不同培养时间内，试管中古生菌的生长状态。古生菌 MK-D1 在不断富集。
Hiroyuki 对样品中的所有微生物进行了 DNA 测序后，采取与 Ettema 相同的方法进行基因组的构建。不出意外，Hiroyuki 也在 MK-D1 中发现了与真核生物相似、参与构建真核生物关键蛋白的基因。
另外，现在 Hiroyuki 已经获得了高纯度的阿斯加德古生菌培养物，他们终于有机会一睹 MK-D1 的真容。Hiroyuki 和同事利用电子显微镜对这种古生菌形态和培养状态进行观察，结果显示古生菌 MK-D1 可以产生类似于“触角”的附属物。基于包括“触觉”在内的这些观测、基因组中包含的代谢信息以及当时的地球演化环境，Hiroyuki 提出了真核细胞演化的缠绕-包裹-奴役（Entangle-Engulf-Enslave）的 E3 模型。
MK-D1 的扫描电镜图片
他们根据地球的演化进程，推测了 10 亿年间古生菌 MK-D1 的演化模式。在早期的海洋中，在大氧化事件（Great Oxidation Even，GOE）之前，海洋中硫酸盐浓度较低， MK-D1 的与产甲烷的古生菌共生。而随着海洋和大气的游离氧含量增加，海洋硫酸盐浓度上升，古生菌 MK-D1 开始与硫酸盐还原菌（SRB）进行共生。
在 GOE 时期，蓝藻的大爆发也给海洋带来了大量有机物和氧气，导致多余的有机物转移到海洋沉积物。厌氧的阿斯加德古生菌不得不在两条生存途径中进行选择，要么生存在严格的厌氧生境中，要么向厌氧-有氧的界面前进，获得更多的有机物。
然而选择了第二种途径的阿斯加德古生菌，为了进一步适应较高的氧气浓度，需要与好氧菌竞争有机营养物，而且还必须要获得利用氧气的能力，那么可供它们选择的两种途径，要么是获得有氧呼吸(即电子传递链和末端氧化酶)，要么是吞噬可以利用氧气的细菌来消耗氧气。
从观察到的阿斯加德古生菌形态上，Hiroyuki 推断它们利用“触角”去缠绕并吸收能利用氧气的细菌，这可能是不得为之和能量消耗更小的途径。但也不能排除，阿斯加德古生菌“触角”附着物是在氧气压力下逐渐筛选和演化产生的。
最终只有“触角”包裹好氧细菌的阿斯加德古生菌，才能在氧气丰富的环境中生存下来。而当这种复合生物体，从底泥环境中进入营养更加丰富的海洋环境后，海水的阻力使促使阿斯加德古生菌的膜融合，最终将好氧细菌永久地束缚在细胞膜内。融合之后的好氧菌逐渐演化成了线粒体，阿斯加德古生菌也开始游荡到海洋中，后续演化成为了我们现在看到的真核生物。
真核细胞演化的 Entangle-Engulf-Enslave（缠绕-包裹-奴役）的 E3 模型
下一个古生菌
Ettema 提示，生活在 20 亿年前的真核细胞始祖，可能行为上与古生菌 MK-D1 并不会完全一致。而对古生菌 DNA 的研究数据表明，还存在其他与真核生物更近缘的古生菌。日本科学家消耗了长达 12 年的时间培养这种微生物，将促进其他科学家在实验室中，对其他亲缘关系更近的古生菌进行分离和培育。Ettema 说“我相信，要培养获得下一个 Asgard，将不需要在花费 12 年的时间。”
Ettema 还表示，这是一项备受瞩目的研究工作。尽管该研究是最近才发表在《自然》上，但在此以前，这项研究就已经在社交媒体火了起来，先后被大家誉为“年度最佳论文”和“微生物生态上的登月事件”。现在，这些 20 亿年前的古细菌还有更多的故事等待我们去发掘。
