数十年来，科学家们一直认为复杂生命起源于两种截然不同的微生物联手，最终演化出植物、动物和真菌。但一个主要谜团依然存在：如果一种生物依赖氧气，而另一种据推测在没有氧气的环境下生存，它们如何相遇？新研究表明，答案在于名为阿斯加德古菌的古老微生物。
德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员现在报告了可能解开这个谜团的证据。该团队在《自然》杂志上撰文，聚焦于一组名为阿斯加德古菌的微生物，它们被认为是复杂生命祖先的近亲。尽管大多数已知的阿斯加德古菌生活在深海或其他贫氧环境中，但这项新研究表明，该群体中的某些成员可以耐受甚至利用氧气。这一发现强化了一个长期存在的理论，即复杂生命的进化正如预测的那样，很可能发生在存在氧气的环境中。
"如今存活的大多数阿斯加德古菌都是在无氧环境中发现的，" UT海洋科学和综合生物学副教授布雷特·贝克解释说。"但事实证明，与真核生物亲缘关系最近的那些阿斯加德古菌生活在有氧气的地方，例如浅海沿岸沉积物和漂浮在水体中，并且它们拥有许多利用氧气的代谢途径。这表明我们的真核祖先可能也拥有这些过程。"
大氧化事件与早期真核生物
贝克的团队研究阿斯加德古菌的基因组，以识别该群体的新分支，并更好地理解这些微生物如何产生能量。他们的最新发现与地质学家和古生物学家关于地球早期大气的重建结果相符。
超过17亿年前，大气中的氧气含量极低。随后，在科学家称为大氧化事件的时期，氧气浓度急剧上升，最终接近今天的水平。在这一戏剧性增长之后的几十万年内，已知最早的真核生物微体化石出现在化石记录中。这种时间上的紧密联系表明，氧气可能在复杂生命的出现中扮演了关键角色。
"作为我们祖先的一些阿斯加德古菌能够利用氧气，这一事实与此非常吻合，"贝克说。"氧气出现在环境中，阿斯加德古菌适应了这种变化。它们发现了利用氧气带来的能量优势，然后进化成了真核生物。"
共生与线粒体的诞生
主流模型认为，真核生物起源于一个阿斯加德古菌与一个α-变形菌形成共生关系。随着时间的推移，这两种生物整合成一个细胞。α-变形菌最终进化成线粒体，即真核细胞内产生能量的结构。
在这项研究中，研究人员显著扩展了已知的阿斯加德古菌的遗传多样性。他们识别出特定的类群，包括与真核生物关系尤为密切但在今天相对不常见的海姆达尔古菌。
"这些阿斯加德古菌常常因低覆盖度测序而被遗漏，"该研究的合著者、法国巴黎巴斯德研究所的博士后研究员凯瑟琳·阿普勒说。"大规模的测序工作以及序列和结构方法的分层应用，使我们能够看到在这次基因组扩展之前无法显现的模式。"
大规模基因组测序工作
这项工作始于阿普勒2019年在德克萨斯大学海洋科学研究所攻读博士学位期间的研究，当时她从海洋沉积物中提取了DNA。UT团队及其合作者最终组装了超过13,000个新的微生物基因组。该项目结合了多次海洋考察的样本，需要分析大约15TB的环境DNA。
从这个庞大的数据集中，研究人员回收了数百个新的阿斯加德古菌基因组，使该群体已知的基因组多样性几乎翻了一番。通过比较遗传相似性和差异，他们构建了一个扩展的阿斯加德古菌生命之树。新识别的基因组还揭示了以前未知的蛋白质类别，使这些微生物中已知的酶类数量增加了一倍。
氧气代谢蛋白的AI分析
随后，该团队更仔细地检查了海姆达尔古菌，将其蛋白质与真核生物中参与能量产生和氧气代谢的蛋白质进行比较。为此，他们使用了一个名为AlphaFold2的人工智能系统来预测这些蛋白质的三维形状。由于蛋白质的结构决定了其功能，这项分析提供了重要的线索。
结果显示，几种海姆达尔古菌的蛋白质与真核细胞用于基于氧气的高效能量代谢的蛋白质非常相似。这种结构相似性为复杂生命的祖先已经适应利用氧气的观点提供了额外的支持。
这项研究的其他贡献者包括前UT研究人员宫先哲（现就职于中国山东大学）、佩德罗·莱昂（现就职于荷兰奈梅亨大学）、玛格丽特·朗维格（现就职于威斯康星大学麦迪逊分校）和瓦莱丽·德·安达（现就职于维也纳大学）。澳大利亚莫纳什大学的詹姆斯·林福德和克里斯·格里宁，以及荷兰瓦赫宁根大学的卡西亚尼·帕纳约托和泰斯·埃特玛也参与了这项研究。
资金部分由戈登和贝蒂·摩尔基金会与西蒙斯基金会、中国国家自然科学基金和澳大利亚国家健康与医学研究委员会提供。