進(jìn)化史上第四例！顛覆認(rèn)知的固氮細(xì)胞器

氮?dú)馐俏覀兊厍虼髿庵姓急茸罡叩臍怏w，氮也是生物所需的一種重要元素。人們很早就發(fā)現(xiàn)，一些生物能夠充分利用有利條件，將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為可以利用的氨，這個(gè)過(guò)程也叫作“生物固氮”——非常形象的名字，就是把氮固定下來(lái)。

人們一直認(rèn)為，只有細(xì)菌和古菌這樣的原核生物可以進(jìn)行生物固氮，甚至連教科書(shū)上都是這樣寫(xiě)的。原核生物通常只有一個(gè)原核細(xì)胞。和這個(gè)概念相對(duì)應(yīng)的是真核細(xì)胞，兩類(lèi)細(xì)胞的主要差異就是原核細(xì)胞有沒(méi)有成型的細(xì)胞核，它也缺少那些被膜包裹著的細(xì)胞器?；蛘呖梢赃@么說(shuō)，如果把細(xì)胞比作一座工廠，原核細(xì)胞這座工廠就要更“簡(jiǎn)陋”一點(diǎn)，許多專(zhuān)業(yè)化的車(chē)間也沒(méi)有分隔開(kāi)來(lái)。

然而在發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究中，一組國(guó)際團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)可以改寫(xiě)教科書(shū)的發(fā)現(xiàn)。他們找到了第一個(gè)已知的真核細(xì)胞里的固氮細(xì)胞器。這個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一種單細(xì)胞海洋藻類(lèi)里，被稱(chēng)為nitroplast。它還沒(méi)有完全統(tǒng)一的中文名，有人稱(chēng)為“硝質(zhì)體”或者“硝基體”。我們這里暫時(shí)稱(chēng)它為硝質(zhì)體。

其實(shí)硝質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)是個(gè)很長(zhǎng)的故事。時(shí)間退回十多年前，早在2012年，研究人員發(fā)現(xiàn)，海洋中的貝氏布拉藻（Braarudosphaera bigelowii）和一種叫作UCYN-A的細(xì)菌有著密切互動(dòng)。UCYN-A似乎生活在貝氏布拉藻的細(xì)胞里或者它們表面，將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為藻類(lèi)生長(zhǎng)所需的化合物，比如氨。與此同時(shí)，它們也能從藻類(lèi)中獲得碳基能源作為回報(bào)。

你可能已經(jīng)猜到了，這些和貝氏布拉藻密切“合作”的UCYN-A，其實(shí)就是我們剛剛說(shuō)的硝質(zhì)體。但此時(shí)，研究人員還認(rèn)為，它們依然是獨(dú)立的生物，而不是藻類(lèi)細(xì)胞的細(xì)胞器，或者說(shuō)藻類(lèi)細(xì)胞內(nèi)的一部分。事實(shí)上，區(qū)分它到底是生物還是細(xì)胞器，也不是件容易的事兒，還需要更詳細(xì)地研究藻類(lèi)細(xì)胞和UCYN-A之間的互動(dòng)才行。

十多年后，時(shí)間來(lái)到去年3月，經(jīng)過(guò)更詳細(xì)的研究，科學(xué)家認(rèn)為，在各種貝氏布拉藻中，UCYN-A和它們的宿主藻類(lèi)之間的大小比例都很相近。他們利用模型發(fā)現(xiàn)，UCYN-A與和宿主細(xì)胞之間的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換，控制著兩者的生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)速率上的同步，正是發(fā)生在細(xì)胞器身上的情況。

此時(shí)，在確認(rèn)更多證據(jù)之前，研究人員依舊謹(jǐn)慎地將UCYN-A稱(chēng)為“類(lèi)細(xì)胞器”。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，UCYN-A會(huì)從宿主細(xì)胞中導(dǎo)入蛋白質(zhì)，這是向細(xì)胞器轉(zhuǎn)變的標(biāo)志之一?？梢赃@么理解，它們?cè)絹?lái)越“離不開(kāi)”宿主細(xì)胞了，它們開(kāi)始丟棄自己的DNA片段，基因組變得越來(lái)越小，依賴母細(xì)胞將這些基因產(chǎn)物或者蛋白質(zhì)送到細(xì)胞中去。

研究人員借助軟X射線層析成像術(shù)，觀測(cè)了的貝氏布拉藻細(xì)胞分裂的情況。UCYN-A會(huì)和這種藻類(lèi)細(xì)胞一起分裂，每個(gè)子細(xì)胞都會(huì)繼承一個(gè)UCYN-A。此外，在大約2000種UCYN-A的蛋白質(zhì)中，大概一半都來(lái)自藻類(lèi)，而不是UCYN-A自己產(chǎn)生的。

這些宿主細(xì)胞制造了蛋白質(zhì)，用特定的氨基酸序列標(biāo)記它們。蛋白質(zhì)被送往UCYN-A。然后，UCYN-A再將這些蛋白質(zhì)導(dǎo)入并加以使用。許多被導(dǎo)入的蛋白質(zhì)都能幫助UCYN-A固氮。這樣以來(lái)，UCYN-A的固氮能力也得到了藻類(lèi)“加持”，能產(chǎn)生更多氮。

這些證據(jù)都表明，UCYN-A的緊密程度已經(jīng)完全超越了一個(gè)獨(dú)立細(xì)菌和藻類(lèi)的關(guān)系，而是進(jìn)展成了一個(gè)可以固氮的細(xì)胞器，硝質(zhì)體隨之確認(rèn)。

那么細(xì)胞器最初是怎么來(lái)的呢？

科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)了一種常見(jiàn)的“互利互惠”的關(guān)系，被稱(chēng)為內(nèi)共生，顧名思義，一種生物可以活在另一種生物的細(xì)胞里，兩者共同生存。比如，像豌豆這樣的豆科植物，它們的根部細(xì)胞就是內(nèi)共生的固氮細(xì)菌的宿主。

雖然內(nèi)共生關(guān)系可以變得非常密切，但絕大多數(shù)情況下，這些生物仍然相對(duì)而言涇渭分明。這也是為什么科學(xué)家一開(kāi)始認(rèn)為UCYN-A是一種內(nèi)共生細(xì)菌。然而，在極少數(shù)情況下，內(nèi)共生的細(xì)菌會(huì)與宿主細(xì)胞逐漸融合，成為宿主的基本組成部分。這種事件有多罕見(jiàn)呢？在硝質(zhì)體發(fā)現(xiàn)之前，在整個(gè)生物進(jìn)化的歷程中，科學(xué)家所知的只有過(guò)三次。

第一次這樣的事件帶來(lái)了生物的線粒體，成了細(xì)胞的能量工廠，它的出現(xiàn)為更復(fù)雜生命的誕生創(chuàng)造了條件。大約10億年前，類(lèi)似的事件又創(chuàng)造了葉綠體，這讓地球擁有了植物。大約6000萬(wàn)年前，另一種藍(lán)細(xì)菌與一種變形蟲(chóng)“合二為一”，形成了一種不同的光合作用細(xì)胞器，被稱(chēng)為載色體。而新研究發(fā)現(xiàn)的這個(gè)固氮細(xì)胞器硝質(zhì)體，就是我們所知的第四個(gè)通過(guò)內(nèi)共生產(chǎn)生細(xì)胞器的例子。研究推斷，硝質(zhì)體可能是在大約1億年前進(jìn)化而來(lái)的。

這個(gè)驚喜的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家提供了一個(gè)全新的視角，也為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了新的洞見(jiàn)。從熱帶到北冰洋，UCYN-A無(wú)處不在，能從大氣中固定大量的氮。

此外，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也有可能改變農(nóng)業(yè)。人們掌握了將大氣中的氮合成為氨的能力，也就是著名的哈伯-博施法，讓農(nóng)業(yè)在20世紀(jì)初開(kāi)始騰飛，帶來(lái)了糧食的豐收。但與此同時(shí)，這個(gè)過(guò)程還產(chǎn)生了大量二氧化碳，大約1.4%的全球排放量也來(lái)自這個(gè)過(guò)程。

科學(xué)家一直在尋找一種更自然的固氮方法。硝質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)或許能為改造成農(nóng)作物提供一些思路。但關(guān)于UCYN-A和藻類(lèi)宿主之間還有很多謎團(tuán)。研究人員計(jì)劃更深入地研究UCYN-A和藻類(lèi)的運(yùn)作方式，看看還有多少驚喜等著我們。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者名稱(chēng)：沈雯

審核：梁前進(jìn) 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司