不知道大家有沒有想過，地球上復雜生命到底是如何進化的？

在以前，其實生物學家普遍認為，生命從簡單到復雜是理所當然，是必然發生的，但實際上，地球生命經歷了非常漫長的簡單生命階段——大約占了地球年齡的一半以上。

另一方面，現在地球上的簡單生命和復雜生命形式存在巨大的鴻溝，完全不存在“中間體”，這不像是一種循序漸進地從簡單到復雜的轉化。

如果生命從簡單到復雜是一個循序漸進的過程，那么我們現在地球上依然會生活著許多那些跨越鴻溝的生命形式。

所以，地球生命從簡單到復雜應該是一次次質的飛躍造就的，從簡單到復雜，

我們現在可以知道，這次飛躍的本質就是生命找到了線粒體，它讓簡單的原核細胞變成了更復雜真核細胞，進而才有了復雜的生命體。

圖：線粒體示意圖

一旦細胞有了線粒體，它們就可以克服阻止細菌、古細菌等原核生物長大的基本障礙——一個關于能量使用的障礙。

細胞的通用能量貨幣——ATP是在細胞膜上制造的，隨著細胞變大，它的表面積與體積之比下降，從而可用的膜相對就減少。

換句話說，隨著原核細胞變得越來越大，它們的能量需求很快就會超過供應，從而無法自我維持。

而具有線粒體的真核細胞可以通過添加更多線粒體來克服這個問題，而且非常容易做到，因為線粒體本身具有復制自己的能力。

現在地球所有復雜生命都來自一個共同祖先——一個獲得線粒體的原核細胞。

因為它有了線粒體的加持，進化上可以隨意自由發揮，它們可以積累更大、更復雜的基因組，從而讓復雜生命成為可能。

圖：現在的葉綠體和光合作用藍細菌結構基本一樣

地球生命歷史上還有一次質的飛躍，就是生命在大約10億年前獲得了葉綠體，真核細胞的這次改變為之后植物的誕生奠定了基礎。

關于地球生物如何獲得線粒體和葉綠體，有幾個不同的假說，但就目前來看，最被認可的是內共生假說。

該假說認為真核細胞通過吞噬那些擁有特殊能力的細菌，這些細菌在真核細胞的體內，與真核細胞互利互惠的共生。

但是隨著時間推移，共生關系越來越緊密，以至于那些細菌完全轉化成了真核細胞的一部分——被稱為細胞器，執行細胞的特定功能。

除了線粒體和葉綠體之外，目前已知生物通過這種（真核生物吞噬細菌）方式得到細胞器的例子還有一個，被稱為色素體。

這個例子相對來說有點鮮為人知，但正是因為它的存在，才讓魷魚和章魚等頭足類動物變色成為可能。

然而，無論是線粒體、葉綠體，還是色素體，它們都已經被判定為是細胞器，而不是單獨的細菌。

最近，分別發表在《細胞》和《科學》雜志上的兩篇開創性文章揭示了一種正在誕生的、由真核細胞吞噬原核細菌內共生產生的細胞器，這可能是地球生命史已知的第四次。

這個 細胞器現在被命名硝基體（nitroplast），他讓真核生物擁有固氮的能力——將大氣中的氮氣分子轉化成生命活動所需的含氮化合物。

在發現硝基體之前，真核生物被認為是沒有固氮能力的，所以我們的糧食作物要增產的話，施加氮肥是必不可少的。

你可能會說，大豆這種植物不就有固氮能力嗎？

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圖：大豆的根部

它們其實并不是自己在固氮，而是通過與細菌共生實現的，你如果看過大豆的根，你就會知道，大豆的根部有一塊一塊的瘤狀組織，這就是與大豆共生的固氮細菌——根瘤菌造成的。

地球生命找到固氮方式比我們想象得要早得多——固氮細菌甚至可能比最早光合作用的細菌還要早出現，據信氮酶至少在22億到15億年前就已經出現了。

雖然細菌很早就學會固氮，但是真核生物從來沒有得到這種能力，在硝基體之前，生物學家認為所有固氮的真核生物都是因為共生。

在這兩篇文章發布之前，科學家同樣也覺得“硝基體”只是一種藻類內共生的細菌。

黑色標記的那個就是硝基體，圖源：Tyler Coale

硝基體來自什么細菌？

1998年，加州大學圣克魯斯分校教授喬納森·澤爾 (Jonathan Zehr) 領導的團隊在太平洋中發現了一種具有固氮能力的藍細菌新物種。

該團隊將這個新的固氮藍細菌命名為UCYN-A，這個就是硝基體的前身了，或者“野生模式”了。

幾乎與發現UCYN-A差不多時間，日本高知大學的古生物學家萩野恭子在實驗室中開始積極嘗試培養一種具有固氮能力的藻類——這個藻類被稱為raarudosphaera bigelowii，最后證明它是 UCYN-A 的宿主生物。

經過十多年的努力，萩野恭子成功在實驗室中培養出這種包含UCYN-A的藻類，這為之后研究兩者超凡的共生關系提供了幫助。

伴隨宿主細胞分裂而分裂的硝基體，圖源：Valentina Loconte

憑什么UCYN-A已是細胞器？

細胞器也是有定義的，它至少需要符合兩個標準：必須通過細胞分裂遺傳和依賴宿主細胞提供的蛋白質。

發表在《細胞》上的文章揭示，UCYN-A和它的宿主藻類細胞生長是同步的，并受到營養物質交換的控制，這個非常符合細胞器的標準。

發表在《科學》上的文章則揭示，UCYN-A從宿主藻類細胞那里獲取蛋白質，這表明UCYN-A已經放棄了一些自有的細胞機制，轉而依賴宿主發揮作用。

這個就符合第二個標準，因為細菌開始丟棄自己的DNA，轉向依賴母細胞，就是細胞器發生的情況。

所有這些發現證實了UCYN-A在raarudosphaera bigelowii已經變成了一個細胞器（硝基體），而不是一個獨立的細菌。

圖：古細菌

最后

相較于線粒體、葉綠體數十億年的存在時間，硝基體是一個非常“年輕”的細胞器，它可能是最近1億年內才開始在真核細胞內逐漸演化。

目前沒人知道硝基體會不會像線粒體、葉綠體，以及色素體那樣深刻影響地球生命演化，但有一點是明確的，硝基體肯定不會是最后一個。

在它之后和在它之前肯定還有很多細菌正在或者已經被真核細胞轉化——有些可能甚至比線粒體還久遠，只是它們的影響力不大，沒有被人發現而已。

報道原文：https://www.iflscience.com/the-once-in-an-eon-event-that-gave-earth-plants-has-happened-again-73878

文獻：

1.https://doi.org/10.1126/science.adk1075

2.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016