破解生命起源谜题：古菌祖先竟能利用氧气

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员解决了关于动物、植物和真菌如何进化的一个基本谜题。他们在《自然》期刊上发表的研究表明，古代微生物祖先能够利用氧气，这与科学家长期以来的认知相反。

这一发现解决了困扰进化生物学家多年的一个悖论。主流理论认为，所有被称为真核生物的复杂生命，都起源于数十亿年前两种截然不同的微生物的融合。其中一种祖先微生物是后来成为线粒体的α-变形菌，它需要氧气才能生存。而另一种阿斯加德古菌，则被认为只生活在无氧环境中。这两种生物如何密切接触一直无法解释。

由副教授布雷特·贝克领导的研究团队发现，某些阿斯加德古菌——特别是一类被称为海姆达尔古菌的古菌，它们是已知与真核生物亲缘关系最近的物种——能够使用或至少能够耐受氧气。

贝克解释说：“现今存活的大多数阿斯加德古菌都是在无氧环境中发现的。但事实证明，那些与真核生物亲缘关系最近的古菌生活在有氧环境中，比如浅海沿岸沉积物和漂浮在水体中，而且它们拥有大量利用氧气的代谢途径。这表明我们的真核生物祖先很可能也具有这些过程。”

该团队从不同地点采集的海洋沉积物中组装了超过13,000个新的微生物基因组，使已知的阿斯加德古菌基因组多样性几乎翻了一番。他们利用人工智能工具AlphaFold2预测蛋白质如何折叠成三维结构，在海姆达尔古菌中发现了几种蛋白质，这些蛋白质与真核生物用于氧基代谢的蛋白质非常相似。

这些发现与我们星球的地质记录相吻合。大约17亿年前，地球大气层经历了一次被称为“大氧化事件”的氧气含量急剧飙升。在短短几十万年内，已知最早的真核生物微化石出现了。

“氧气出现在环境中，阿斯加德古菌适应了这一变化。它们发现利用氧气具有能量优势，然后进化成了真核生物，”贝克说。

这项研究源于凯瑟琳·阿普勒的博士研究工作，她目前是巴黎巴斯德研究所的博士后研究员，于2019年开始从海洋沉积物中提取DNA。

阿普勒说：“这些阿斯加德古菌常常被低覆盖度测序所遗漏。大规模测序工作以及序列和结构方法的叠加使我们能够看到在此次基因组扩展之前无法看到的模式。”

研究人员提出了一个更新的真核生物起源模型，其中产氢和有氧呼吸都存在于阿斯加德-真核生物祖先中，这表明生物能量因素在细胞复杂性的出现中发挥了核心作用。