對(duì)最早復(fù)雜細(xì)胞的新研究是(對(duì)最早復(fù)雜細(xì)胞的新研究是什么)

Lane和Martin的基本點(diǎn)是，一個(gè)細(xì)胞的發(fā)展命運(yùn)受到能量供應(yīng)的支配。簡(jiǎn)單的原核生物大多很微小，由單細(xì)胞或小群落組成，可以依靠比較有限的能量?jī)?chǔ)存來維持生命活動(dòng)。

但一旦細(xì)胞達(dá)到足夠的大小和復(fù)雜性，它最終就會(huì)到達(dá)原核生物無(wú)法超越的分水嶺。至少理論是這么認(rèn)為的。

根據(jù)這種觀點(diǎn)，地球歷史上的一個(gè)單一事件突然產(chǎn)生了真核生物，然后真核生物不斷進(jìn)化和多樣化，占據(jù)了地球上的每一個(gè)生態(tài)位，從海底熱液噴口到極地苔原。當(dāng)自由生活的原核細(xì)胞內(nèi)部獲得另一個(gè)微小生物體時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種驚人的多樣化。

通過撥打內(nèi)共生的過程，新的細(xì)胞居民被這個(gè)原始真核生物“吃了下去”，為它提供了額外的能量，并讓它開始轉(zhuǎn)變。它所獲得的內(nèi)共生體最終會(huì)發(fā)展成線粒體，也就是真核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞“發(fā)電廠”。

因?yàn)榻裉焖袕?fù)雜的生命都可以追溯到進(jìn)化樹的單個(gè)真核分支，所以推測(cè)這種偶然的內(nèi)共生事件，即線粒體的獲得，在整個(gè)生命史上發(fā)生過一次，而且只發(fā)生過一次。一次。

這次自然事故就是我們聚集在這里的原因。如果沒有線粒體，真核生物的更大尺寸和更復(fù)雜性在能量上是不可行的。

但這項(xiàng)新的定量研究挑戰(zhàn)了這一說法。

跨越障礙

研究人員認(rèn)為，雖然今天生活的原核生物和真核生物之間的差異很明顯，但在過渡階段，情況不太清楚。直到最終，現(xiàn)存真核生物的所有共同特征都出現(xiàn)了，產(chǎn)生了一個(gè)名為LECA的生物，也就是“真核生物的最后共同祖先”（lasteukaryoticcommonancestor）。的物種

定量分析表明，原核生物和真核生物在細(xì)胞大小、內(nèi)部復(fù)雜性和基因數(shù)量方面不存在不可逾越的鴻溝，并且兩種細(xì)胞形式之間存在相當(dāng)大的重疊。

事實(shí)證明，細(xì)胞可以生長(zhǎng)到相當(dāng)大的尺寸，并獲得至少一些復(fù)雜細(xì)胞的特征，同時(shí)保持主要的原核特征和不存在線粒體。

換句話說，并沒有一條明確的邊界線將真核生物與它們的原核生物祖先區(qū)分開來，真實(shí)的情況要混亂得多。

能源需求不斷上升

研究還計(jì)算了細(xì)胞的呼吸需求是如何隨著細(xì)胞的體積而升級(jí)的，這種需求可以通過產(chǎn)生為細(xì)胞生長(zhǎng)和維持提供ATP能量的ATP合成酶的分子數(shù)量來衡量。團(tuán)隊(duì)還借鑒了先前研究的數(shù)據(jù)，描述了能量需求與細(xì)胞表面積的比例。

該研究著眼于細(xì)胞的表面積，發(fā)現(xiàn)ATP合成酶的數(shù)量比細(xì)胞膜增加得更快。這意味著，在細(xì)胞體積增大的某一點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)體積限制，ATP合成酶無(wú)法再為細(xì)胞以某種速度分裂提供足夠的ATP。而真核生物則通過線粒體等內(nèi)膜結(jié)構(gòu)提供的額外呼吸表面積來克服這一障礙。

有趣的是，這種細(xì)胞體積限制并不像先前的理論所預(yù)測(cè)的那樣，出現(xiàn)在原核生物和真核生物的交界處。相反，它出現(xiàn)在更大的細(xì)胞體積，大約103立方微米，這一范圍也涵蓋了許多現(xiàn)存的真核生物。

這使得科學(xué)家相信線粒體并不是絕對(duì)必要的。它們可能會(huì)有所幫助，但對(duì)于向更大容量的過渡并不是必需的。

比較原核生物和真核生物內(nèi)部的基因排列時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的情況。原核生物的基因組結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是對(duì)稱的，由一個(gè)圓環(huán)的雙鏈DNA組成。許多細(xì)菌在每個(gè)細(xì)胞中藏有基因組的多個(gè)副本。時(shí)

但真核生物具有不同的基因組結(jié)構(gòu)，并且它們是不對(duì)稱的。真核生物基因組排列的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們不必像原核生物那樣在整個(gè)細(xì)胞中維持基因組的副本。對(duì)于大多數(shù)基因，真核生物可以在細(xì)胞核中維持一到兩個(gè)拷貝。

相比之下，大型細(xì)菌的整個(gè)基因組有許多拷貝，每個(gè)基因組都包含細(xì)胞中存在的每個(gè)基因的一個(gè)拷貝。這種差異使得真核生物的體積能夠顯著增長(zhǎng)，而無(wú)需面臨原核生物所面臨的能量限制。

但研究人員再次注意到原核生物和真核生物的基因數(shù)量有明顯的重疊，這表明，原核生物也能將基因數(shù)量擴(kuò)充到通常與較大的真核生物相關(guān)的領(lǐng)域，直到它們達(dá)到一個(gè)關(guān)鍵的閾值，當(dāng)超過這個(gè)閾值，它們的基因組對(duì)稱性就成了一個(gè)限制性因素。

重溫萊卡

早期真核生物進(jìn)化的新圖景為線粒體優(yōu)先范式提供了可靠的替代方案。

與其說進(jìn)化偶然獲得了線粒體原型，不如說是以偉大的姿態(tài)迎來了真核生物時(shí)代，不如說是在漫長(zhǎng)的時(shí)間跨度中，一系列試探性的、漸進(jìn)的、階梯式的變化，最終產(chǎn)生了復(fù)雜的細(xì)胞，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，能夠?qū)崿F(xiàn)爆發(fā)性的多樣化。

之前的一些研究提出了更為激進(jìn)的觀點(diǎn)，甚至認(rèn)為線粒體對(duì)早期真核生物幾乎沒有什么好處。但這項(xiàng)新研究采取了更為溫和的立場(chǎng)，認(rèn)為除了臨界細(xì)胞體積之外，線粒體和現(xiàn)代真核細(xì)胞的其他特征對(duì)于滿足大細(xì)胞的能量需求是必要的，但如果沒有這些創(chuàng)新，一系列較小的原真核生物可能也表現(xiàn)得很好。

因此，在過渡到神秘的LECA事件之前，可能存在一系列最初不具有線粒體的生物體。

這項(xiàng)新研究還提出了有關(guān)真核轉(zhuǎn)變事件時(shí)間的問題。也許這個(gè)重要的轉(zhuǎn)變始于真核細(xì)胞骨架或其他高級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

總體而言，需要更多的研究來自信地將導(dǎo)致真核生物完全成熟的事件順序放入適當(dāng)?shù)哪瓯碇小?/p>

我們還不知道哪些進(jìn)展會(huì)首先出現(xiàn)。也許可以想象一幅新的圖景，其中一系列生物體始于內(nèi)膜和內(nèi)囊。由此，它們發(fā)育出處理膜蛋白的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并由此發(fā)育出細(xì)胞核。也許線粒體后來通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。

在我們擁有今天的富裕世界之前，也許還有很多很多的步驟。

參考來源：

新研究出現(xiàn)-第一復(fù)雜細(xì)胞-挑戰(zhàn)-正統(tǒng)

封面圖片來源：JasonDrees，亞利桑那州立大學(xué)