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，這個過程也叫作“生物固氮”——非常形象的名字，就是把氮固定下來。

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，甚至連教科書上都是這樣寫的。原核生物通常只有一個原核細(xì)胞。和這個概念相對應(yīng)的是真核細(xì)胞，兩類細(xì)胞的主要差異就是原核細(xì)胞有沒有成型的細(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，如果把細(xì)胞比作一座工廠，原核細(xì)胞這座工廠就要更“簡陋”一點(diǎn)，許多專業(yè)化的車間也沒有分隔開來。

然而在發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究中，一組國際團(tuán)隊有了一個可以改寫教科書的發(fā)現(xiàn)。他們找到了第一個已知的真核細(xì)胞里的固氮細(xì)胞器。這個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一種單細(xì)胞海洋藻類里，被稱為nitroplast。它還沒有完全統(tǒng)一的中文名，有人稱為“硝質(zhì)體”或者“硝基體”。我們這里暫時稱它為硝質(zhì)體。

其實(shí)硝質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)是個很長的故事。時間退回十多年前，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。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)化為藻類生長所需的化合物，比如氨。與此同時，它們也能從藻類中獲得碳基能源作為回報。

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)就是我們剛剛說的硝質(zhì)體。但此時，研究人員還認(rèn)為，它們依然是獨(dú)立的生物，而不是藻類細(xì)胞的細(xì)胞器，或者說藻類細(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)地研究藻類細(xì)胞和UCYN-A之間的互動才行。

十多年后，時間來到去年3月，經(jīng)過更詳細(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)胞之間的營養(yǎng)物質(zhì)交換，控制著兩者的生長。這種生長速率上的同步，正是發(fā)生在細(xì)胞器身上的情況。

此時，在確認(rèn)更多證據(jù)之前，研究人員依舊謹(jǐn)慎地將UCYN-A稱為“類細(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，它們越來越“離不開”宿主細(xì)胞了，它們開始丟棄自己的DNA片段，基因組變得越來越小，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)，觀測了的貝氏布拉藻細(xì)胞分裂的情況。UCYN-A會和這種藻類細(xì)胞一起分裂，每個子細(xì)胞都會繼承一個UCYN-A。此外，在大約2000種UCYN-A的蛋白質(zhì)中，大概一半都來自藻類，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，UCYN-A的固氮能力也得到了藻類“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)完全超越了一個獨(dú)立細(xì)菌和藻類的關(guān)系，而是進(jìn)展成了一個可以固氮的細(xì)胞器，硝質(zhì)體隨之確認(rèn)。

那么細(xì)胞器最初是怎么來的呢？

科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)了一種常見的“互利互惠”的關(guān)系，被稱為內(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，這些生物仍然相對而言涇渭分明。這也是為什么科學(xué)家一開始認(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。這種事件有多罕見呢？在硝質(zhì)體發(fā)現(xiàn)之前，在整個生物進(jìn)化的歷程中，科學(xué)家所知的只有過三次。

第一次這樣的事件帶來了生物的線粒體，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6000萬年前，另一種藍(lán)細(xì)菌與一種變形蟲“合二為一”，形成了一種不同的光合作用細(xì)胞器，被稱為載色體。而新研究發(fā)現(xiàn)的這個固氮細(xì)胞器硝質(zhì)體，就是我們所知的第四個通過內(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)化而來的。

這個驚喜的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家提供了一個全新的視角，也為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了新的洞見。從熱帶到北冰洋，UCYN-A無處不在，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)初開始騰飛，帶來了糧食的豐收。但與此同時，這個過程還產(chǎn)生了大量二氧化碳，大約1.4%的全球排放量也來自這個過程。

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和藻類宿主之間還有很多謎團(tuán)。研究人員計劃更深入地研究UCYN-A和藻類的運(yùn)作方式，看看還有多少驚喜等著我們。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者名稱：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：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(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