古老的“阿斯加德”微生物可能在地球富氧之前就已利用氧气，为复杂生命的起源提供新线索

美国 - 艾赫巴里通讯社

古老的“阿斯加德”微生物可能在地球富氧之前就已利用氧气，为复杂生命的起源提供新线索

科学发现不断揭示地球生命的遥远过去。一项新研究表明，过去被认为厌恶氧气的古代微生物，实际上可能已经学会了利用氧气。这项最新发表在《自然》（Nature）杂志上的研究成果，为包括人类在内的所有动植物的先驱——最早的复杂细胞是如何进化的，提供了一个引人入胜的新视角。

二十多亿年前，在地球大气层含有大量氧气之前很久，一群顽强的微生物——现在被确认为“阿斯加德古菌”（Asgard archaea）——似乎已经发展出了利用这种气体的生化机制。这些单细胞生物被认为是动植物祖先最接近的已知微生物亲戚。

通过对海洋泥浆和海水样本进行广泛的基因调查，研究人员发现了证据，表明这些古老的阿斯加德古菌拥有处理氧气，甚至可能将其用于能量生产的分子工具集。这一发现挑战了长期以来的观点，即许多被研究的阿斯加德谱系在缺氧环境中茁壮成长。

这一进化转折点可能在解释生物学最重要的起源故事之一——真核细胞的出现——方面发挥关键作用。目前主流的科学理论认为，复杂细胞起源于一个简单的微生物与细菌融合的共生事件。经过漫长的岁月，这种伙伴关系促成了更复杂细胞的发展，这些细胞构成了从高耸的红杉到复杂的人类的一切的基础。

然而，这个迷人的起源故事面临着一个持续存在的谜团：这两个截然不同的细胞实体是如何找到彼此并建立合作关系的？复杂细胞内的能量工厂——线粒体，众所周知起源于依赖氧气的细菌。但是，古菌——生命的三大域之一——传统上被认为是这次关键微生物合并中的宿主，并且许多被认为适应了厌氧（无氧）条件。

这项由德克萨斯大学奥斯汀分校和巴黎巴斯德研究所的研究人员联合撰写的新研究表明，作为潜在宿主的阿斯加德古菌，可能比之前认为的更能耐受氧气。研究合著者、德克萨斯大学奥斯汀分校海洋科学副教授布্রেট·贝克（Brett Baker）解释说：“今天生活的大多数阿斯加德古菌都在无氧环境中被发现。但事实证明，那些与真核生物关系最密切的，生活在有氧环境中，例如浅海沉积物和漂浮在水体中的地方，并且它们拥有许多利用氧气的代谢途径。这表明我们的真核祖先也很可能拥有这些过程。”

阿斯加德古菌，其名字象征性地来源于北欧神话中众神居住地，于2015年首次被识别。它们的全基因组是从洛基城堡（Loki’s Castle）热液喷口附近采集的深海沉积物样本中重建的。这项研究促成了阿斯加德超门（Asgard superphylum）的建立，包括洛基古菌（Lokiarchaeota）、索尔古菌（Thorarchaeota）和奥丁古菌（Odinarchaeota）等群体。后续研究表明，阿斯加德古菌拥有多个“真核生物特征”基因，强烈暗示着与真核生物——即拥有细胞核和膜结合细胞器的生物——有着密切的祖先联系。

为了研究阿斯加德古菌如何能够耐受氧气，研究团队收集了来自不同海洋环境的样本，包括渤海100英尺（30.5米）深处和瓜伊马斯盆地6,561英尺（2,000米）深处。他们仔细分析了约15TB的海洋沉积物环境DNA，重建了超过13,000个微生物基因组，并分离出数百个阿斯加德特有的基因序列。

研究合著者、巴黎巴斯德研究所的博士后研究员凯瑟琳·阿普勒（Kathryn Appler）指出：“这些阿斯加德古菌经常在低覆盖度测序中被遗漏。大规模的测序工作以及序列和结构方法的层层叠加，使我们能够看到在此次基因组扩展之前无法看到的模式。”

发现的模式包括与有氧呼吸相关的基因——这是许多生物用来有效产生能量的依赖氧气的过程。此外，研究团队还使用了一个名为AlphaFold2的人工智能工具来预测蛋白质结构，从而加强了他们关于这些古代微生物内部存在耐氧分子机制的证据。

阿斯加德古菌中的一个特定谱系——海姆达尔古菌（Heimdallarchaeia，以北欧神话中警惕的守门人命名）——尤其引人注目。研究人员报告说，许多海姆达尔古菌的基因组包含参与电子传输和利用氧气产生能量的分子机制的组成部分，以及有助于解毒有害氧副产物的酶。

如果这些氧气处理能力存在于复杂细胞的古菌祖先中，那么这将大大简化古代细胞融合的设想。贝克说：“环境中出现了氧气，阿斯加德古菌对此进行了适应。它们发现了利用氧气的能量优势，然后进化成了真核生物。”这一发现可能填补了我们对生命如何从简单的原核细胞过渡到定义当今大部分生物圈的复杂真核结构的关键空白。

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