古老“岩石”微生物揭示生命的复杂起源

这是一张在西澳大利亚鲨鱼湾微生物垫中发现的阿斯加德古菌合成图像（内嵌）。

隐藏在古老微生物结构中，科学家们发现了一种可能映照生命最具变革性时刻之一——复杂细胞诞生的伙伴关系。

叠层石看起来像是平凡的黑色岩石，但绝非无生命。这些结构以及类似的微生物垫，是由数十亿年来塑造地球表面的微生物层构成的。

早在森林、动物，甚至简单的多细胞生物出现之前，这些微生物群系就已经开始改变地球。通过光合作用产生氧气，叠层石帮助地球大气层转变为能够支持复杂生命的环境。现在，新的研究表明，他们可能还保留了关于这种复杂性最初如何产生的线索。

悉尼新南威尔士大学进化微生物学家布伦丹·伯恩斯副教授是一个研究团队的一员，该团队发现了一种此前未知的微生物，与所谓“活化石”中的另一种生物密切共存。

这项由悉尼科技大学和墨尔本大学科学家共同进行的研究，可能揭示生物学中最重要的问题之一：简单细胞如何结合形成更复杂的生命。

“叠层石可能不仅仅是早期微生物生命繁荣的生命摇篮，”伯恩斯副教授说。“他们也能告诉我们生命最初是多么复杂。”

“帮助养育真核生物的微生物村”

尽管叠层石最早出现在数十亿年前，但它们至今仍在西澳大利亚世界遗产地鲨鱼湾形成。

在此地点，伯恩斯教授及其团队采集样本，最终分离出阿斯加德古菌的一员，这是一种被认为与真核生物祖先密切相关的异常微生物。真核细胞是所有植物、动物和人类的细胞。

一种长期流传的理论认为，第一个真核细胞是在一个古老古菌与细菌紧密合作时形成的，最终一个细胞吞噬了另一个。这一过程促成了线粒体的形成，线粒体是细胞内产生能量的结构。

直到现在，科学家们一直缺乏直接证据表明这种合作关系可能如何运作。这项研究首次视觉确认了阿斯加德古帝通过称为纳米管的微小管状连接与细菌物理互动。

“这可以成为这类合作如何开始并最终形成真核生物的一个小模型，”伯恩斯副教授说。

漫长的发现之路

基因测序显示样本中存在这些生物，但在实验室中培养它们仍具挑战性。

“实验室里花了四五年时间，”伯恩斯助理教授说。“花了很多时间，优化和追逐不同的影子。”

阿斯加德古菌极难在自然环境外培养，团队无法单独培养它们。据伯恩斯副教授说，这可能是一个重要线索。

“我们之所以永远无法将这些生物纳入纯净培养，可能是因为它们总是依赖其他生物生存，”他说。

一项关键突破来自电子冷冻断层成像技术，这是一种先进的三维成像方法，能够揭示百万分之一毫米（约0.00004英寸）尺度的结构。

图像显示了两种微生物通过纳米管物理连接。阿斯加德古菌还产生了由小囊泡组成的链状结构和复杂的管状延伸体。每种生物都创造了对方可用的化合物，包括维生素、营养素和氢气。

墨尔本大学的合著者副教授Debnath Ghosal表示，捕捉这种直接互动是一大进步。“这一发现让我们更接近理解复杂细胞如何从相对简单的微生物生命形式进化而来，”Ghosal助理教授说。

联合作者、新南威尔士大学副教授凯特·米奇解释说，这项研究还使用了深度学习，这是一种机器学习。

“我们利用这些方法预测了这些微生物中蛋白质的结构，”米奇助理教授说。“这令人兴奋，因为我们开始看到细胞机械的古老版本，这些后来成为复杂生命的核心。”

伯恩斯教授将古菌比作“伴生”。在微生物垫的恶劣环境中，即使是微观上的合作也可能是生存的关键。

一个古老却活生生的故事

悉尼科技大学的合著者、副教授伊恩·达金表示，令人惊讶的是，这些微生物可能在此类环境中形成了数百万年的伙伴关系，最终促成了包括人类在内的复杂生命的出现。

“就像我们慢慢从海底浮出水面一样，”A/Prof. Duggin说。

新发现的古埃及被命名为“Nerearchaeum marumarumayae”，取自古希腊海神Nereus和马尔加纳语的marumarumayae，意为“古老的家园”。

马尔加纳语是鲨鱼湾中部居民的传统语言之一，其与土地的联系通过原住民土地权获得认可。马尔加纳的长者、护林员和社区成员积极关心该地区，保护野生动物并恢复环境。

鲨鱼湾也有深厚的土著历史，约3万年前人类首次居住于此。

命名过程包括与马尔加纳语权威Kymberly Oakley的咨询。长者们也被咨询，以确保语言的尊重和恰当使用。他们允许加入认可和庆祝马尔加纳文化的术语。

对于研究人员来说，这些微生物系统为我们提供了对早期地球的罕见窥视。对于传统所有者来说，它们依然是持续受到保护的活文化遗产的重要组成部分。

伯恩斯教授希望识别更多微生物伙伴关系，扩展他称之为“原始阿斯加德小汤”的体系，以帮助重建复杂生命的最初阶段。

“但这不仅仅是生物的问题，”他说。“这也关乎人。这是跨学科的巨大合作，许多研究生在构建这个故事中发挥了关键作用。这让这件事令人兴奋的部分原因是，这不仅仅是发现，更是连接。不仅跨越多年，更在这些脆弱生态系统面临气候变化和人类活动日益严峻威胁的时期。”

这些微生物凸显了合作在地球历史上对生存至关重要，伯恩斯教授表示这一原则至今依然重要。

“这些微生物提醒我们，即使是最小的伙伴，也能在我们的历史上留下最深的印记。”