生命始祖不厌氧

研究问题

拥有膜结合细胞器的真核细胞形式的复杂细胞生命，最初是如何在地球上出现的？这仍是生物学领域最基础且争议最大的问题之一。人们曾认为，我们的远古微生物祖先是一类生活在无氧环境中的简单细胞。按照这一观点，这位如今被证实为阿斯加德古菌的祖先，在吞噬了某类细菌后获得了利用氧气的能力，而这类细菌最终演变成了我们细胞中的“能量工厂”——线粒体。现有证据表明，真核细胞的起源（即真核生物起源过程）与大氧化事件相重合；这一事件发生在24亿至21亿年前，彼时氧气开始在地球大气中不断积累。

我们对这位微生物祖先的代谢机制了解有限，这成为了研究复杂生命起源的一大知识空白。厘清与人类亲缘关系最近的这类微生物是否具备真核生物如今普遍拥有的耐氧型生物能量代谢系统，对于追溯地球生命这一重要演化转折至关重要。

研究发现

为探明与真核生物亲缘关系最近的古菌的代谢机制，我们对浅海近岸环境和深海热液系统的海洋沉积物开展了大规模DNA测序，旨在解析生活在这些环境中的微生物的全套代谢通路，即各类氧化还原反应。此次研究使数据库中的阿斯加德古菌基因组数量近乎翻倍。我们将新重构的阿斯加德古菌基因组与已有基因组整合，结合高分辨率蛋白质结构建模开展基因组、演化和代谢分析，以此明确其生物能量代谢能力。

分析结果显示，现代阿斯加德古菌中的海姆达尔古菌，拥有支持耗氧型生活方式的全部遗传基础，其中包括有氧呼吸特有的标志性蛋白（电子传递链复合物IV），以及能对有害氧副产物进行解毒的酶类。此外，这类古菌的各类演化支主要分布于海洋近岸环境，部分类群甚至能在含溶解氧的水体中繁盛生长。这些发现表明，孕育出复杂生命的这位古菌祖先并非不耐氧、且仅局限于无氧环境生存的生物；相反，它大概率是一类耐氧生物，能够在简单的发酵作用与高能量产出的有氧呼吸之间切换代谢方式（见图1）。我们的微生物祖先所具备的这种氧代谢能力，或许是一项关键的生物能量代谢创新：它不仅让祖先得以利用含氧环境，还塑造了复杂细胞生命最初演化形成的生态与代谢背景。

图1 复杂细胞的起源

真核细胞由阿斯加德古菌演化而来，这类古菌吞噬了某类细菌，而该细菌最终演变为线粒体。对现代霍德古菌目和卡里古菌科的基因组分析表明，阿斯加德古菌与真核生物的最后共同祖先或许具备耐氧性。该祖先可通过涉及电子传递链的有氧代谢通路利用氧气：电子传递链是由血红素蛋白和原珠蛋白调控的一系列蛋白复合物（复合物1-5），能利用有机物在生物膜两侧形成质子梯度，进而将能量转化为三磷酸腺苷分子。这一共同祖先还能对过氧化氢等活性氧进行解毒。现代古菌可利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、三羧酸循环、乙酸和谷氨酸，通过糖酵解、氧化戊糖磷酸途径、谷氨酸合成途径和伍德-隆达尔途径等，对葡萄糖等糖类进行有氧代谢，生成三磷酸腺苷和二氧化碳，同时将二价铁氧化为三价铁。真核生物的演化则通过以下过程实现：表达真核生物特征蛋白、整合细菌共生体（线粒体的祖先）并发生共生体基因转移，以及表达细胞色素c氧化酶亚基D等共生体来源的基因。时间轴单位为十亿年。示意图由生物绘图工具绘制。

研究意义

本研究对关于真核生物早期祖先代谢能力的长期固有假设提出了挑战。阿斯加德古菌中存在有氧呼吸代谢通路的事实表明，孕育出真核细胞的宿主演化支，可能在获得线粒体之前就已适应了含氧环境。这意味着，耐氧性或许是一项先天存在的性状，为线粒体的细菌祖先实现能量代谢整合创造了条件。这些发现揭示了复杂生命的出现与大氧化事件期间地球的充氧过程之间存在更紧密的关联，由此重塑了当前的真核生物起源模型。

但解读这些研究结果时，需考虑若干重要的注意事项。其一，本研究的结论基于对生物潜在代谢能力的基因组预测，要证实阿斯加德古菌存在活跃的有氧呼吸，还需获取直接证据。其二，现代演化支中存在某类代谢性状，并不意味着其共同祖先也具备该性状。推断生活在近20亿年前的远古细胞的生理特征时，我们应保持审慎。

未来，对生活在不同溶解氧浓度环境中的海姆达尔古菌开展生物活性检测，将有助于确定哪些演化支会主动利用氧气产生能量；而在实验室中实现这类古菌的纯培养，将为验证其有氧呼吸能力提供关键性的研究契机。

（本文作者：布雷特·J·贝克，美国得克萨斯州奥斯汀市得克萨斯大学奥斯汀分校；瓦莱丽·德·安达，奥地利维也纳市维也纳大学）

 专家点评

“研究者对墨西哥和中国近海沉积物样本进行了基因组重构，结合公共数据库的现有数据，鉴定并分析了400多个此前未被发现的阿斯加德古菌基因组。其中，代谢通路重构的研究结果尤为值得关注——该结果表明，作为真核生物疑似姊妹群的海姆达尔古菌具备耐氧性，且其基因组中编码的蛋白复合物，与真核生物线粒体呼吸链的相关组分具有相似性。这些发现为真核生物起源的相关研究带来了深远的影响。”

（点评人：米歇尔·莱热，日本恩纳村冲绳科学技术大学院大学）

 论文背后的故事

新冠疫情期间，我们通过阿斯加德古菌祖先的基因组重构了其代谢通路，研究结果显示，参与真核生物起源过程的这位阿斯加德古菌祖先，其生物能量代谢系统的复杂程度或许远超此前的认知。令人意外的是，它的基因组中似乎包含有氧呼吸代谢的核心组件。我们由此产生了疑问：阿斯加德古菌这位宿主，是否为早期真核生物赋予了生物能量代谢能力？当下的真核生物起源模型能否解释这一现象？此后，我们开展了数年的样本采集、测序和分析工作，其中还包括搭乘“阿尔文”号深潜器进行深海考察。我们从加利福尼亚湾获得了13839个微生物基因组，其中404个为阿斯加德古菌基因组。这一研究成果，让我们得以验证古菌宿主在获得线粒体之前是否就已存在有氧代谢通路，也帮助我们进一步厘清了人类最远古祖先的现代亲缘类群所具备的代谢与生态能力。

（本文作者：布雷特·J·贝克、瓦莱丽·德·安达）

编辑寄语

阿斯加德古菌的发现，彻底改变了我们对真核生物演化的认知。新测序的基因组表明，最早的真核生物或许具备有氧代谢能力，或至少拥有耐氧性，这与现有模型的观点相悖。这些古菌的基因组中编码着有氧型真核生物特有的代谢通路，因此它们或许在20多亿年前的大氧化事件中，充分利用了大气中不断增加的氧气。

（本文编辑：亨利·吉，《自然》杂志高级编辑）

Appler, K. E. et al. Oxygen metabolism in descendants of the archaeal-eukaryotic ancestor. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-026-10128-z (2026).

阿斯加德古菌是复杂细胞生命起源的关键类群1。海姆达尔古菌（阿斯加德古菌门中的一个纲）被认为是真核生物亲缘关系最近的类群。对这类古菌的样本采集十分有限，这制约了我们对其生态特征、演化历程的理解23，也阻碍了对其在真核生物起源过程中所扮演角色的研究。本研究通过对海洋沉积物进行大规模DNA测序，获得了404个阿斯加德古菌的宏基因组组装基因组，其中包含136个新的海姆达尔古菌基因组以及数个新的演化支。对其全球分布特征的分析表明，这类古菌广泛存在于海洋环境中，且多个类群在含氧水平波动的近海沉积物中富集。详细的代谢途径重构与蛋白结构预测结果显示，海姆达尔古菌形成了有别于其他阿斯加德古菌的代谢功能类群。这类古菌编码有氧生活方式的标志性蛋白，包括电子传递链复合物IV、血红素生物合成相关蛋白以及活性氧解毒相关蛋白。海姆达尔古菌还编码一类新的膜结合型呼吸产氢酶演化支，这类酶带有额外的复合物I样亚基，或能增强质子动力势的生成与三磷酸腺苷的合成。据此，我们提出了一个以海姆达尔古菌为核心的真核生物起源更新模型，认为阿斯加德古菌-真核生物共同祖先中可能已存在产氢作用与有氧呼吸过程。这份扩增的阿斯加德古菌基因组多样性数据集表明，生物能量相关因素对真核生物的起源产生了影响，也为研究细胞复杂性的起源与演化提供了宝贵的资源。