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發現新生命王國,對已知生命樹意味著什麼?


博科園不管是動物、植物、真菌還是我們熟悉的原生動物,這種生活在自己「王國」的奇怪微生物,預示著難以置信的生物多樣性尚未被新技術發現。生命之樹再次長出新枝,研究人員最近在新斯科舍省的...

- 2018年12月16日13時53分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

不管是動物、植物、真菌還是我們熟悉的原生動物,這種生活在自己「王國」的奇怪微生物,預示著難以置信的生物多樣性尚未被新技術發現。生命之樹再次長出新枝,研究人員最近在新斯科舍省的一塊土壤中發現了一種被稱為半鞭毛體的罕見而神秘的微生物。研究人員隨後對它的DNA進行了分析,發現它既不屬於動物、植物、真菌,也不屬於任何一種原生動物。事實上,它遠遠超出了任何已知的對複雜生命形式(真核生物)進行分類的大型類別。相反,這個揮舞著鞭毛的怪物是它自己「王國」團體的第一個成員,這個團體可能在至少10億年前從其他生命的大分支中分離出來。

博科園-科學科普:領導研究的達爾豪西大學(Dalhousie University)微生物學家阿拉斯泰爾·辛普森(Alastair

Simpson)說:這正是我職業生涯中想要看到的結果。儘管關於半鞭毛體的發現本身就令人印象深刻,但它只是分類學最近悄然而穩步增長的新發現之一。研究人員不僅不斷發現了新物種或新類別,而且還發現了全新的生命界,這引發了人們的疑問:它們如何隱藏了如此久,我們離發現它們有多遠?亞娜·埃格利特(Yana


Eglit)是達爾豪斯大學的研究生,她致力於發現單細胞真核生物原生生物的新譜系。2016年一個寒冷的春日,她在新斯科舍省徒步旅行時,為了把幾克泥土收納金到塑料管中,從那裡摔了下來。

這是半鞭毛蟲(Hemimastix kukwesjijk)的顯微圖片,該半鞭毛體(hemimastigote)是以新斯科舍省米克馬克第一民族傳統中「毛茸茸的貪婪食人魔」命名。圖片:Courtesy of Yana Eglit

回到實驗室後埃格利特把樣本浸泡在水中,在接下來的一個月里,她定期通過顯微鏡觀察樣本,尋找不尋常生命的跡象。一天傍晚,樣品中有些奇怪的東西引起了她的注意。埃格利特說:一個細長的細胞放射出鞭狀鞭毛,笨拙地遊動著,好像它沒有意識到這些鞭毛可以幫助它移動。在一個更強大的範圍內,她認為這種生物符合半鞭毛體的描述。半鞭毛體是一種罕見的原生生物,並且難以培養。第二天早上,實驗室為有描述和測序標本的機會興奮不已,埃格利特說:我們停下了所有其他事情。半鞭毛體是拉姆斯菲爾德「已知的未知」原生系少數代表之一,這些原生系的描述得還算完整,但由於它們很難在實驗室中培養和排序,因此它們在生命之樹上的位置並不完全為人所知。

圖片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

原生生物學家利用半鞭毛體結構特點來推斷它們的近親,但這些推測在整個系統發育過程中被「槍斃」。沒有分子數據,半鞭毛體的譜系就像是未知祖先的遺孤。但單細胞轉錄組學這一新方法徹底改變了這些研究。它使研究人員能夠對一個細胞的大量基因進行排序。辛普森實驗室的研究生戈登·拉克(Gordon


Lax)是研究這種方法的專家:對於半鞭毛體這樣難於研究的生物體來說,單細胞轉錄組學可以產生之前為更豐富的細胞保留質量的遺傳數據,研究人員最終可以進行更深入的基因組比較。研究小組對300多個基因進行了測序,烏普薩拉大學(Uppsala University)博士後研究員的蘿拉·埃姆(Laura Eme)模擬了這些基因如何進化,從而進一步推斷半鞭毛體的分類方式。

這是半鞭毛體的全景圖,並且是唯一已知代表新近發現生物超群的半鞭毛體。下面的一系列圖像顯示了半鞭毛體是如何攻擊和吃掉獵物。圖片:Courtesy of Yana Eglit

研究人員十分希望它們屬於現有的超級群體之一,然而實驗室成員卻驚訝地發現半鞭毛體根本不在生命之樹上,半鞭毛體代表了自身獨特的譜系,與其他六個超級群體完全不同。為了理解半鞭毛體譜系在進化上是多麼的不同,想像一下真核生物樹在你面前的地面上伸展出一條條狹窄的路徑,從腳附近的所有真核生物群落開始,在遙遠的地方匯聚到我們共同的祖先的地點。從哺乳動物尖端開始,沿著歷史脈絡向前,經過我們的譜系與爬行動物和鳥類分叉的地方,經過魚類、海星和昆蟲的岔路口,然後再往前走,越過我們與真菌的分界線。如果你回頭看,你會發現你經過的所有不同的生物都屬於六個真核超群中的一個。半鞭毛體仍然在前方,在他們自己的超級群體中,在一條沒有其他障礙物的道路上。

半鞭毛體嘴部結構或頭狀體的特寫,頭部嘴部被鞭毛包圍。圖片:Courtesy of Yana Eglit

瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University in Sweden)的生物學家法賓·伯基(Fabien

Burki)沒有參與這項研究,但他對這項研究結果並不感到驚奇:這有點像在其他行星上尋找生命,當最終找到它時,我們不會感到非常驚訝,但這將是一個巨大發現。伯基、辛普森、埃格利特和許多其他人認為我們還需要發現更多生命之樹的分支,因為生命之樹的變化速度非常快,生命之樹正在被新數據不斷重塑,這與15或20年前完全不同。發現像半鞭毛體這樣獨特的譜系仍然十分罕見。但是如果你在等級制度上下降一兩個等級,到界等級,比如包括所有動物的界等級,你會發現新的譜系大約每年就會出現一次。到目前這個速度並沒有逐漸放慢,如果有什麼變化的話,那就是它可能正在加速。

半鞭毛蟲用魚叉狀的器官攻擊獵物,然後用它的鞭毛把獵物送到嘴裡。圖片:Courtesy of Yana Eglit

單細胞轉錄組等功能更強測序技術的可用性,是推動真核生物尤其是已知未知群體這一趨勢的部分原因。它使研究人員能夠從單個樣本中收集有用的DNA,這些方法仍然需要熟練擁有敏銳眼光的原生動物學家,比如埃格利特,這樣才能真正瞄準我們想看的東西。宏基因組學是另一種排序方法,能夠幫助研究人員提高發現速度。研究人員現在可以冒險獲取塵土樣本或從深海噴口獲取生物膜樣本,並對樣本中的一切進行排序。問題是它通常只是一個基因的片段。對於生活在另外兩個不同於真核生物領域的有機體,細菌和古生菌來說,這通常足夠了。宏基因組支持了最近的重大發現,如阿斯加德古生菌(Asgard

archaea)。阿斯加德古生菌是一門龐大的古生菌,直到大約三年前,科學界才完全了解它。但對於基因組更大、更複雜的真核生物來說,宏基因組學是一種非常廣泛的取樣方法。


半鞭毛蟲吸出受害者體內的細胞質,圖片:Courtesy of Yana Eglit

它揭示了生活在環境中的多種生物,但除非你有一個更大的已知參考序列,否則很難把不同的東西放到一個進化框架中。根據辛普森的說法,這就是為什麼最近大部分真正深層的真核生物譜系都是通過「老式」方式發現——在實驗室中識別出一種奇怪的原生生物,並對其進行測序。這兩種方法互補,可以互相借鑑。例如半鞭毛體出現在以前發表的宏基因組資料庫中。我們只是無法識別它們,直到我們有了更長的半鞭毛序列來比較它們。宏基因組學可以指出未知多樣性的潛在熱點,更深入的測序可以使宏基因組數據更有意義。研究人員在普通和特殊環境下編目多樣性的前景充滿光明。雖然宏基因組學工具允許我們探索極端環境——比如在阿斯加德古生菌被發現的熱液噴口附近的沉積物,但研究人員也可以在附近地區發現新的譜系。

餵養半鞭毛蟲的顯微圖像,圖片:Yana Eglit/Nature

這一全新的超界譜系是一位研究生在徒步旅行時從泥土中偶然發現的;想像一下,如果我們能掃描地球上的每一個角落,我們將發現多少生物。隨著科學家們繼續將生命之樹填補完整,用於添加樹枝的算法只會變得更加高效。這將幫助研究人員解決生命歷史上更深更古老的分歧。伯基說:我們對生命如何展開的理解還很不完整。真核生物為何出現,光合作用如何進化等問題仍未得到解答,因為我們沒有一棵足夠穩定的生命之樹,能夠準確定位這些關鍵事件發生的地點。除了回答這些基本問題之外,發現這一簡單樂趣也激勵著伯基和埃格利特等研究人員,微生物世界是一個完全開放的領域,探索開放世界如此令人興奮。

博科園-科學科普|參考期刊文獻:《natural》

文:Jonathan Lambert/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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

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