紛繁的世界中，除了我們能夠看到的生命體，更多肉眼看不到的微生物構(gòu)成了整個生態(tài)鏈的主體。目前證明，很多微生物可以產(chǎn)生氫氣，也有很多微生物可以利用氫氣作為能源。生命的起源與進化一直是人類孜孜以求尚在探索的未解之謎。包括人類在內(nèi)的真核生物的細胞是如何產(chǎn)生的?氫氣在真核細胞的進化中處于怎樣的地位?對這個問題的梳理也許可以為理解氫氣與生命的關(guān)系提供線索。

 

在顯微鏡發(fā)明之前，人們一度認為生物只有兩類：植物和動物。隨著顯微鏡觀察到我們生活的環(huán)境中充滿著無數(shù)肉眼不可見的微生物，生物學(xué)家把細胞生命分成了兩大類：真核生物(擁有膜結(jié)構(gòu)的細胞核和細胞器)和原核生物(沒有細胞核和膜結(jié)構(gòu)細胞器)。
 

20世紀70年代，古菌被發(fā)現(xiàn)。古菌是單細胞微生物，常生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。這些微生物與細菌有很多相似之處，即它們沒有細胞核與任何其他膜結(jié)合細胞器，同時另一些特征相似于真核生物，比如基因組中存在重復(fù)序列與核小體。分子生物學(xué)的研究表明，古菌在進化上更接近真核生物，屬于一種全新的生命形式?；谶@些發(fā)現(xiàn)，卡爾·烏斯(Carl Woese)在1977年提出了細胞生命形式分類的“三域系統(tǒng)”，將細胞生命分為三大類：細菌域(Bacteria)、古菌域(Archaea)和真核域(Eukarya)。

后來，Thijs Ettema 等人先后發(fā)現(xiàn)了4種新的古菌，分別命名為洛基、索爾、奧丁、海姆達爾，并將它們統(tǒng)稱為阿斯加德古菌(Asgard archaea) ，隨著基因組學(xué)技術(shù)被用于分類，越來越多的證據(jù)支持真核細胞與Asgard古菌在進化上密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)動搖了生物界分類的“三域系統(tǒng)”，現(xiàn)在認為古細菌和細菌代表了生命分類的兩個主要域，真核生物是后來從這些譜系中出現(xiàn)，也就是新的兩域分類。
 

地球大約在46億年前形成，那時候地球的溫度很高，從火山中噴出的氣體，如水蒸氣、氫氣、氨、甲烷、二氧化碳、硫化氫等，構(gòu)成了原始的大氣層。早期地球二氧化碳濃度很高，沒有氧氣，同時氫氣的含量高達40%，是一個適合碳基厭氧生命產(chǎn)生和進化的環(huán)境。
 

分子氧(O2)的產(chǎn)生對進化有深遠的影響。大約 2.7-25 億年前，藍細菌開始利用水作為光合作用電子傳輸鏈的電子供體，產(chǎn)生氧氣作為代謝的廢物排掉，被成為大氧化事件(Great Oxidation Event，GOE)。在GOE之前，大氣和海洋基本上是缺氧的，這限制了地球的生物化學(xué)循環(huán)。即使在GOE之后，氧氣濃度仍保持低水平，在巴斯德點(Pasteur point)附近，也就是兼性厭氧菌從有氧代謝轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醮x(反之亦然)時的氧分壓，相當于大約 0.2 %的氧氣(v/v)。盡管大氣逐漸氧化，但海洋在富含硫的18億年前元古代(Proterozic)早期真核生物產(chǎn)生時是缺氧的，當時海洋中的硫酸鹽水平增加得很慢，限制了生物硫的循環(huán)，大氣和海洋中的氧氣水平僅有現(xiàn)在氧氣水平的0.001-10%，在深海，直到5億年前顯生代(Phanerozoic)開始時仍然缺氧。這意味著真核生物前13 億年的進化都是在低氧條件下發(fā)生的。
 

由于元古代早期的深海缺氧，真核生物有可能在淺層沉積物或光養(yǎng)微生物墊(phototrophic microbial mats )這類相對富氧的環(huán)境中進化。光養(yǎng)微生物墊可能是真核細胞發(fā)生的搖籃，它們是元古界的“森林”，微生物群落在系統(tǒng)發(fā)育和代謝方面豐富多樣。微生物墊上層是富含氧氣的藍藻層，進行有氧光和作用，通常隨后是由進行無氧光和作用的耐氧α和γ變形桿菌構(gòu)成的紅色層，它們合成有機物，固定在上層墊層中，這些有機物被位于更深的缺氧層中極其多樣的微生物群落降解。在垂直缺氧剖面上可以區(qū)分兩個寬區(qū)，其中硫酸鹽還原和甲烷生成分別占主導(dǎo)地位。
 

除了存在極少數(shù)無機化能細菌外，地球上生命的能量來源占絕對優(yōu)勢為太陽光能，而構(gòu)建大分子有機化合物骨架的物質(zhì)基礎(chǔ)則是碳。對真核的自養(yǎng)生物(如高等植物、藻類)來說，其能量來自太陽光能，而碳源則來自大氣中的CO2，但是對原核的微生物來說，情況就要復(fù)雜得多。一些微生物能夠利用光作為能源(稱為光能細菌)，另一些能以化合物作為能源(稱為化能細菌)，其中以有機化合物作為能源的稱為化能有機營養(yǎng)細菌，以無機化合物如氫氣、硫化合物等作為能源的稱為化能無機營養(yǎng)細菌。由于早期的地球環(huán)境富含氫氣，產(chǎn)生和利用氫氣的微生物豐富，微生物間氫和/或硫的轉(zhuǎn)移廣泛存在，微生物群落中形成互養(yǎng)共棲關(guān)系。
 

隨著Asgard古菌的發(fā)現(xiàn)，以及微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展，真核細胞起源的假說也一直在完善。長期以來的觀點都傾向基于古細菌和細菌之間代謝相互作用的共生模式，其中包括經(jīng)典的Searcy和氫假說，以及最近的逆流(Reverse Flow)假說和共生-吞食-內(nèi)生模型(Entangle-Engulf-Endogenize等。 盡管幾種模型所提出的代謝相互作用上存在差異，但均比較認可的是氫氣在真核細胞起源中起到核心作用。
 

基于代謝交換的真核生物起源共生模型
 

最初的真核生物進化的氫假說提出了一種氫氣介導(dǎo)的共生關(guān)系，由分解氫氣的產(chǎn)甲烷古細菌和產(chǎn)生氫氣的α變形桿菌共生，氫氣被用來減少CO2并產(chǎn)生甲烷。在氫假說的一個更新版本中，一種自養(yǎng)的、非產(chǎn)甲烷的古菌代替了最初的產(chǎn)甲烷宿主，它利用線粒體祖先釋放的氫來固定碳產(chǎn)生有機物。Purificación等最近提出了基于氫氣和硫代謝的真核生物進化的三元共生模型 (HS Syntrophy)，考慮了Asgard古菌的發(fā)現(xiàn)及其祖先代謝潛力所施加的限制，是比較全面的真核細胞進化模型之一。HS共生模型認為，真核生物起源于元古宙早期的微生物墊，由產(chǎn)氫的Asgard古菌內(nèi)共生到復(fù)雜的硫酸鹽還原的δ變形桿菌(sulfide-reducing bacteria，SRB)內(nèi)，隨后線粒體由多功能、兼性需氧、氧化硫化物和無氧光合作用的α變形桿菌(sulfide-oxidizing bacteria，SOB)進一步內(nèi)共生體進化而來。
 

δ變形桿菌的代謝類型多樣，可以使用或產(chǎn)生氫或直接產(chǎn)生電子，并經(jīng)常參與微生物種間的氫或電子轉(zhuǎn)移，其中許多細菌利用硫酸鹽氧化有機化合物，但它們也可以是自養(yǎng)的，并可以根據(jù)環(huán)境條件發(fā)酵或在代謝之間進行切換。δ變形桿菌與古細菌建立了廣泛的共生關(guān)系，與產(chǎn)甲烷菌共生作為供氫者，與甲烷營養(yǎng)古菌共生消耗氫還原硫酸鹽。硫還原δ變形桿菌(SRB)還與硫化物氧化或其他細菌、真核生物建立共生關(guān)系。這種兼容并包的特性支持 SRB 作為真核生物產(chǎn)生的母體(宿主)。進化過程中真核生物的細胞膜以及逐漸形成的核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等龐大的內(nèi)膜系統(tǒng)也是由δ變形桿菌的膜內(nèi)化而來，這也意味著如果δ變形桿菌可以使用或產(chǎn)生氫或電子，現(xiàn)在的真細胞核膜系統(tǒng)中可能會保留痕跡，與氫氣代謝相關(guān)的酶系統(tǒng)可能存在于這些膜的某些分子中，如膜上的氧化還原酶類等生物大分子。
 

Asgard古菌中包含與真核生物類似的基因，例如洛基古菌，被發(fā)現(xiàn)具有真核生物的標志性基因肌動蛋白基因，通過對它們DNA的深入分析，表明所有的現(xiàn)代真核生物來自同一個古菌群。Asgard古菌可以分解有機物生存，并產(chǎn)生氫氣作為廢氣。古菌內(nèi)共生到 SRB 后，為得到更多的有機物，Asgard古菌逐漸被 SRB 的膜包裹，進化為真核生物的細胞核，古菌自己的膜則退化了。古菌的基因組與真核生物細胞核的基因組有很多共性也就容易理解了。推動Asgard古菌內(nèi)化的主要動力是 SRB 需要利用氫氣還原硫酸鹽的代謝需求。
 

α變形桿菌從代謝類型來看是一個特別多樣化的有機體群體，被認為是與線粒體具有最為緊密親緣關(guān)系的細菌物種。在微生物墊的上層，占主導(dǎo)地位依賴 H2S 的厭氧光合細菌與 SRB 相互作用完成硫循環(huán)，由此可以推測兼性好氧的線粒體祖先也可能是光合(或混合營養(yǎng)的)細菌。線粒體祖先作為一種必需的內(nèi)共生體的結(jié)合意味著整個內(nèi)共生體的代謝發(fā)生了根本性的變化，由于線粒體祖先是好氧的，并且可以通過直接氧化有機物獲得更高的能量，因此共生體開始完全依賴有氧呼吸。這導(dǎo)致了效率較低的厭氧古菌的代謝和細菌硫酸鹽還原代謝丟失。同時，原始的真核生物遷移到微生物墊的氧含量高的完全氧化層，在氧化層表面擴散。
 

氫氣在真核細胞進化的三元共生體的形成過程中起到關(guān)鍵作用。隨著地球環(huán)境氫氣來源的減少，宿主就會更加嚴格地依賴于產(chǎn)氫的共生體，這提供了一種強大的選擇力，不可逆轉(zhuǎn)地將共生體和宿主聯(lián)系起來，如果共生體逃逸，宿主會“餓死”。宿主可以利用自身與環(huán)境的表面攝入有機質(zhì)并提供給共生體，并盡量選擇大表面積包圍共生體增加接觸面，以提供更多的有機質(zhì)給共生體、獲得更多的氫氣。氫氣還原硫酸鹽維持硫循環(huán)也是推動線粒體祖先不可逆內(nèi)共生進入宿主的推動力。隨著氧氣在地球的逐漸積累，適應(yīng)環(huán)境的進化選擇，宿主對氫的代謝依賴性消失了，厭氧環(huán)境的限制也消失，宿主成為異養(yǎng)類型，共生體成為現(xiàn)在真核生物細胞核和線粒體等的前體。
 

真核生物起源的共營養(yǎng)假說提示，真核細胞從富氫的遠古地球走來，隨著氧氣在地球的逐漸積累氫氣愈來愈少，Asgard-SRB-SOB 共生體完成了向真核細胞的關(guān)鍵性的幾步。通常認為，在新的細胞中，最早存在于共生體古老祖先的產(chǎn)生和利用氫氣的氫代謝功能由于缺乏氫氣逐漸丟失了。然而，近年來研究揭示氫氣對高等生物如動物、植物具有很強的生理功能，我們將不得不重新審視這一觀點。
 

我認為，真核細胞代謝氫氣的功能可能并沒有丟失，而是留在線粒體、細胞膜、內(nèi)膜等真核細胞結(jié)構(gòu)中，在現(xiàn)在氧氣濃度很高的環(huán)境下氫氣的代謝被抑制隱藏起來了，合適的條件下氫氣代謝依然會發(fā)揮作用。另外，雖然空氣中的氫氣沒有了，我們?nèi)梭w卻由于腸道菌群等微生物的共生一直沐浴在氫氣中，人體的微生物數(shù)量甚至比細胞還要多，產(chǎn)氫和用氫的微生物大量存在于腸道菌群，只不過每個個體由于腸道菌群群落結(jié)構(gòu)的不同，氫氣的量不一樣罷了。
 

參考文獻

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