地球上的生命為何如此複雜，這些複雜生物是如何進化的？
直至今日，這仍是生物學中最大的謎團之一。最近，維也納大學和蘇黎世聯邦理工學院的微生物學家通過在實驗室培育一種特殊的的古菌，朝著回答這個問題向前邁進了一大步。
最接近真核生物的古菌
科學家將生命主要分為三域：細菌、古菌和真核生物。
真核生物包括動物、植物和真菌，是地球上最複雜的多細胞生物。它們的細胞通常更大，遺傳物質被包裹在細胞核中。在真核生物的細胞中，有能提供能量的細胞器——線粒體，還有包含內質網在內的細胞膜網路，以及複雜的由肌動蛋白和微管蛋白組成的細絲構成的細胞骨架。
與真核生物相比，古菌與細菌要相似得多。它們通常都沒有線粒體，也沒有包裹在細胞核內的DNA。
目前，一種主流的進化理論假設，真核生物（包括動物、植物和真菌）是通過阿斯加德古生菌和細菌的融合而產生的。（圖/ETH Zürich）
許多科學家認為，早期的真核生物是通過古菌和細菌的兩種微生物的細胞合併產生的，源自於大約20億年前古菌和細菌之間的密切共生。但這一觀點尚未得到證實。
2015年，一組科學家在對深海環境進行研究時，從沉積物樣本中發現了有著真核生物基因的奇怪古菌。到了2017年，科學家又在另外幾種古菌中發現了類似的基因。
這些古菌被統稱為阿斯加德超門（Asgard archaea），它們被認為是系統發生樹中，最接近真核生物的一類古菌，有望幫我們解答有關生命起源和生命複雜性的問題。
新的阿斯加德古菌
若想要通過阿斯加德古菌來解答這些問題，科學家需要直接用阿斯加德古菌的細胞來進行研究。
然而，過去的研究表明，這是一類非常難以在實驗室培育的敏感生物，任何成功的培育都可能要經過數年艱辛的反覆試驗。雖然已有不同的研究團隊在實驗室中培育並分離出了這些神奇的生物，但到目前為止，科學家尚不能以一種可以詳細描述這些微生物的細胞結構和細胞生物學的方式將它們培育出來。
在新的研究中，研究團隊成功地培養出了一種新的阿斯加德古菌，暫時將其命名為Lokiarchaeum ossiferum。它們來自斯洛維尼亞皮蘭海岸附近的沉積物中，在那些沉積物中有著相對較高的丰度，非常適合進行各項深入研究。
Lokiarchaeum ossiferum的培育取得了很大的成功。然而，這些新的阿斯加德古菌有著長長的觸鬚，非常的「脆弱」，很難從一個培養瓶轉移到另一個培養瓶中進行濃縮，也難以在顯微鏡下對它們進行染色研究。
冷凍電鏡下的古菌
最終，研究人員設計了一種方法，使它們可以生長較高的濃度，從而足以使用冷凍電子斷層成像術對其進行觀測的濃度。冷凍電子斷層成像術能將細胞急速冷凍，再用電子顯微鏡對其進行多角度觀察，創建出合成圖像，為了解細胞的內部機制提供三維視角。
冷凍電子斷層成像術為新培育的阿斯加德古菌的細胞結構提供了深刻的見解。左邊的灰色圖像顯示了Lokiarchaeum ossiferum在電子顯微鏡下的圖像；右邊的藝術插圖則突顯了由肌動蛋白構成的細絲網路（橙色），它們與複雜細胞的細胞骨架類似，藍色部分顯示的是其獨特的細胞包膜。（圖/FLORIAN WOLLWEBER AND MARTIN PILHOFER/ETH ZÜRICH; NATURE）
成像結果顯示，這些新的阿斯加德古菌細胞具有複雜的細胞形狀。這些細胞由圓形細胞體組成，帶有許多隆起和縊痕。有時，這些隆起的觸手狀結構甚至會連接不同的細胞。
此外，研究人員還在這些細胞內看到了蛋白絲網路——這是隻在複雜的真核細胞中觀察到過的特徵，與真核細胞中構成細胞骨架的肌動蛋白絲非常相似。這表明，在第一批真核生物出現之前，複雜的細胞骨架結構就已經出現於古菌中了。
故事才剛剛展開
研究人員相信，這些新的古菌將有望帶來進一步的突破性見解。雖然問題尚未被徹底解決，但利用來自這項研究的經驗，未來研究人員將可以更好地培育其他阿斯加德古菌。而新研究所使用的成像法，也將可以用來研究阿斯加德古菌與細菌的共生作用。
重要的是，利用這些技術，還有許多的細胞生物學過程（如細胞分裂）可以研究，以闡明這些機制的進化起源。
#創作團隊：
撰文：糖獸
排版：雯雯
#參考來源：
https://biol.ethz.ch/en/news-and-events/d-biol-news/2022/12/exploring-the-origin-of-complex-life.html
https://www.science.org/content/article/strange-tentacled-microbe-may-resemble-ancestor-complex-life
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04450-5
#圖片來源：
封面圖 & 首圖：Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah
