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发现新生命王国,对已知生命树意味着什么?

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2020-02-14  博科园

986彩票_[开户赠金]不管是动物、植物、真菌还是我们熟悉的原生动物,这种生活在自己“王国”的奇怪微生物,预示着难以置信的生物多样性尚未被新技术发现。生命之树再次长出新枝,研究人员最近在新斯科舍省的一块土壤中发现了一种被称为半鞭毛体的罕见而神秘的微生物。研究人员随后对它的DNA进行了分析,发现它既不属于动物、植物、真菌,也不属于任何一种原生动物。事实上,它远远超出了任何已知的对复杂生命形式(真核生物)进行分类的大型类别。相反,这个挥舞着鞭毛的怪物是它自己“王国”团体的第一个成员,这个团体可能在至少10亿年前从其他生命的大分支中分离出来。

986彩票_[开户赠金]博科园-科学科普:领导研究的达尔豪西大学(Dalhousie University)微生物学家阿拉斯泰尔·辛普森(Alastair Simpson)说:这正是我职业生涯中想要看到的结果。尽管关于半鞭毛体的发现本身就令人印象深刻,但它只是分类学最近悄然而稳步增长的新发现之一。986彩票_[开户赠金]研究人员不仅不断发现了新物种或新类别,而且还发现了全新的生命界,这引发了人们的疑问:它们如何隐藏了如此久,我们离发现它们有多远?亚娜·埃格利特(Yana Eglit)是达尔豪斯大学的研究生,她致力于发现单细胞真核生物原生生物的新谱系。2016年一个寒冷的春日,她在新斯科舍省徒步旅行时,为了把几克泥土收纳金到塑料管中,从那里摔了下来。

这是半鞭毛虫(Hemimastix kukwesjijk)的显微图片,该半鞭毛体(hemimastigote)是以新斯科舍省米克马克第一民族传统中“毛茸茸的贪婪食人魔”命名。图片:Courtesy of Yana Eglit

回到实验室后埃格利特把样本浸泡在水中,在接下来的一个月里,她定期通过显微镜观察样本,寻找不寻常生命的迹象。一天傍晚,样品中有些奇怪的东西引起了她的注意。埃格利特说:一个细长的细胞放射出鞭状鞭毛,笨拙地游动着,好像它没有意识到这些鞭毛可以帮助它移动。986彩票_[开户赠金]在一个更强大的范围内,她认为这种生物符合半鞭毛体的描述。半鞭毛体是一种罕见的原生生物,并且难以培养。986彩票_[开户赠金]第二天早上,实验室为有描述和测序标本的机会兴奋不已,埃格利特说:我们停下了所有其他事情。986彩票_[开户赠金]半鞭毛体是拉姆斯菲尔德“已知的未知”原生系少数代表之一,这些原生系的描述得还算完整,但由于它们很难在实验室中培养和排序,因此它们在生命之树上的位置并不完全为人所知。

图片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

原生生物学家利用半鞭毛体结构特点来推断它们的近亲,但这些推测在整个系统发育过程中被“枪毙”。没有分子数据,半鞭毛体的谱系就像是未知祖先的遗孤。但单细胞转录组学这一新方法彻底改变了这些研究。它使研究人员能够对一个细胞的大量基因进行排序。辛普森实验室的研究生戈登·拉克(Gordon Lax)是研究这种方法的专家:对于半鞭毛体这样难于研究的生物体来说,单细胞转录组学可以产生之前为更丰富的细胞保留质量的遗传数据,研究人员最终可以进行更深入的基因组比较。研究小组对300多个基因进行了测序,乌普萨拉大学(Uppsala University)博士后研究员的劳拉·埃姆(Laura Eme)模拟了这些基因如何进化,从而进一步推断半鞭毛体的分类方式。

这是半鞭毛体的全景图,并且是唯一已知代表新近发现生物超群的半鞭毛体。下面的一系列图像显示了半鞭毛体是如何攻击和吃掉猎物。图片:Courtesy of Yana Eglit

研究人员十分希望它们属于现有的超级群体之一,然而实验室成员却惊讶地发现半鞭毛体根本不在生命之树上,半鞭毛体代表了自身独特的谱系,与其他六个超级群体完全不同。为了理解半鞭毛体谱系在进化上是多么的不同,想象一下真核生物树在你面前的地面上伸展出一条条狭窄的路径,从脚附近的所有真核生物群落开始,在遥远的地方汇聚到我们共同的祖先的地点。从哺乳动物尖端开始,沿着历史脉络向前,经过我们的谱系与爬行动物和鸟类分叉的地方,经过鱼类、海星和昆虫的岔路口,然后再往前走,越过我们与真菌的分界线。986彩票_[开户赠金]如果你回头看,你会发现你经过的所有不同的生物都属于六个真核超群中的一个。半鞭毛体仍然在前方,在他们自己的超级群体中,在一条没有其他障碍物的道路上。

半鞭毛体嘴部结构或头状体的特写,头部嘴部被鞭毛包围。图片:Courtesy of Yana Eglit

瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University in Sweden)的生物学家法宾·伯基(Fabien Burki)没有参与这项研究,但他对这项研究结果并不感到惊奇:这有点像在其他行星上寻找生命,当最终找到它时,我们不会感到非常惊讶,但这将是一个巨大发现。伯基、辛普森、埃格利特和许多其他人认为我们还需要发现更多生命之树的分支,因为生命之树的变化速度非常快,生命之树正在被新数据不断重塑,这与15或20年前完全不同。发现像半鞭毛体这样独特的谱系仍然十分罕见。但是如果你在等级制度上下降一两个等级,到界等级,比如包括所有动物的界等级,你会发现新的谱系大约每年就会出现一次。到目前这个速度并没有逐渐放慢,如果有什么变化的话,那就是它可能正在加速。

半鞭毛虫用鱼叉状的器官攻击猎物,然后用它的鞭毛把猎物送到嘴里。图片:Courtesy of Yana Eglit

单细胞转录组等功能更强测序技术的可用性,是推动真核生物尤其是已知未知群体这一趋势的部分原因。它使研究人员能够从单个样本中收集有用的DNA,这些方法仍然需要熟练拥有敏锐眼光的原生动物学家,比如埃格利特,这样才能真正瞄准我们想看的东西。宏基因组学是另一种排序方法,能够帮助研究人员提高发现速度。研究人员现在可以冒险获取尘土样本或从深海喷口获取生物膜样本,并对样本中的一切进行排序。问题是它通常只是一个基因的片段。对于生活在另外两个不同于真核生物领域的有机体,细菌和古生菌来说,这通常足够了。宏基因组支持了最近的重大发现,如阿斯加德古生菌(Asgard archaea)。阿斯加德古生菌是一门庞大的古生菌,直到大约三年前,科学界才完全了解它。但对于基因组更大、更复杂的真核生物来说,宏基因组学是一种非常广泛的取样方法。

半鞭毛虫吸出受害者体内的细胞质,图片:Courtesy of Yana Eglit

它揭示了生活在环境中的多种生物,但除非你有一个更大的已知参考序列,否则很难把不同的东西放到一个进化框架中。根据辛普森的说法,这就是为什么最近大部分真正深层的真核生物谱系都是通过“老式”方式发现——在实验室中识别出一种奇怪的原生生物,并对其进行测序。这两种方法互补,可以互相借鉴。例如半鞭毛体出现在以前发表的宏基因组数据库中。我们只是无法识别它们,直到我们有了更长的半鞭毛序列来比较它们。宏基因组学可以指出未知多样性的潜在热点,更深入的测序可以使宏基因组数据更有意义。研究人员在普通和特殊环境下编目多样性的前景充满光明。虽然宏基因组学工具允许我们探索极端环境——比如在阿斯加德古生菌被发现的热液喷口附近的沉积物,但研究人员也可以在附近地区发现新的谱系。

喂养半鞭毛虫的显微图像,图片:Yana Eglit/Nature

这一全新的超界谱系是一位研究生在徒步旅行时从泥土中偶然发现的;想象一下,如果我们能扫描地球上的每一个角落,我们将发现多少生物。随着科学家们继续将生命之树填补完整,用于添加树枝的算法只会变得更加高效。这将帮助研究人员解决生命历史上更深更古老的分歧。伯基说:我们对生命如何展开的理解还很不完整。真核生物为何出现,光合作用如何进化等问题仍未得到解答,因为我们没有一棵足够稳定的生命之树,能够准确定位这些关键事件发生的地点。除了回答这些基本问题之外,发现这一简单乐趣也激励着伯基和埃格利特等研究人员,微生物世界是一个完全开放的领域,探索开放世界如此令人兴奋。

博科园-科学科普|参考期刊文献:《natural》

文:Jonathan Lambert/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI:doi.org/10.1038/s41586-018-0708-8

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