在这张显微照片中，白细胞摄取了棒状细菌（粉红色）。一些科学家正在利用这一过程的明显年龄（称为吞噬作用）来推断复杂细胞何时可能获得线粒体。
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很久以前，在这场生、捕、死的大戏中，唯一的参与者是无形的小而简单的细胞。古生菌和细菌在海洋和池塘中颠簸旋转，组装成几微米宽的堡垒，吞噬有机物质薄膜。然后它们中的一些开始发生变化，最终第一个真核生物——第一个将其基因锁定在细胞核中的生物体，在其内部排列着分枝的隔室，最重要的是，利用线粒体来产生能量——出现在现场.我们和肉眼可见的所有其他生命都是该细胞的后代，是所有真核生物的最后共同祖先。
科学家们对这一转变过程中发生的事情仍然知之甚少。中心难题之一是我们的真核生物祖先是如何以及何时获得线粒体的，线粒体是产生细胞能量的强大细胞器。线粒体显然曾经是一种独立的细菌，直到某个宿主细胞（从所有证据来看，它是一种古细菌或后代）吞噬了它并将其变成了永久的共生伙伴。
但是真核细胞吞噬细菌的方式在能量上是昂贵的。它涉及广泛而快速地重塑细胞骨架，即细胞膜下的蛋白质支架。一个细胞几乎需要拥有线粒体才能做到这一点，因为线粒体从一个葡萄糖分子中提取的能量大约是糖酵解和发酵（替代代谢过程）的 18 倍。所以科学家们争论哪个先出现：线粒体或吞噬过程，称为吞噬作用。
这两种选择表明真核生物的起源故事截然不同：线粒体是事后才想到的，是第一个真核生物进化的后期出现吗？还是它来得早，具有惊人的能量产生能力，并推动了我们祖先的变化？
在这段视频中，真核细胞使用吞噬作用来吃掉一个较小的细胞。这种能力的发展对真核生物来说是一项重要的进化创新。
维姆·范·埃格蒙德
最近发表在《分子生物学与进化论》上的一篇论文对 15 亿多年前这种先有鸡还是先有蛋的困境上演时可能发生的事情进行了有趣的一瞥。研究人员对 30 多种寄生和共生细菌的 DNA 进行了测序，这些细菌在被真核细胞吞噬时，会避免被消化并以宿主的资源为生。科学家们意识到，居住在真核细胞内的能力似乎比预期的要老得多。它表明——有一些重要的警告——某种形式的吞噬作用早于线粒体，为即将到来的革命奠定了基础。
瑞典乌普萨拉大学的进化微生物学家、这篇新论文的作者莱昂内尔盖伊（ Lionel Guy ）几年前开始对军团菌目细菌进行测序，因为它含有重要的病原体，例如导致军团病的病原体，但群体稀缺。 “我知道他们还有更多，我想全面了解订单，”他说。
他对影响细菌与其宿主之间相互作用的基因特别感兴趣。这些基因编码靶向真核分子系统的蛋白质，以干扰宿主感知入侵者的能力，以及对寄生虫的其他好处。
一串军团菌（绿色）在他们感染的原生动物体内移动。军团菌目中的细菌利用吞噬作用进入真核宿主细胞。
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盖伊和他的同事对军团菌成员的基因进行了测序，从军团病病原体到在海洋中搜寻外来微生物时发现的细菌。不出所料，寄生虫用来掩盖它们的存在并从宿主中提取营养的蛋白质差异很大。但研究人员还发现，几乎所有军团菌都使用基本相同的分子机制部署这些蛋白质，称为 IVB 型分泌系统，它们似乎从无数代前的共同祖先那里继承下来。
“然后，在后期，我从一位同事那里得到了价值百万美元的问题”，盖伊回忆道。 “那些军团菌到底多大了？”他意识到，答案可以阐明宿主细胞的性质。
确定一个细菌群的起源日期是一个复杂的过程，而且通常是不成功的。当生物学家为化石记录中有祖先的生物建立家谱时，他们可以计算出保存这些化石的岩层是多久以前出现的。有了细菌，情况就不同了。科学家们可以从基因中推断出家庭关系，但他们通常无法确定几百万年前一个群体从另一个群体分支出来。尽管如此，科学家们还是有几种方法可以确定细菌的年龄，主要是通过检查岩石中的化学标记，而这些细菌是唯一已知的来源。
盖伊从 2008 年读过一篇关于其中一种标记物的论文，一种叫做奥酮的物质，由某些紫色硫细菌制造。在澳大利亚的一个岩层中发现了它的痕迹，其历史可追溯到 16.4 亿年前。盖伊和他的同事们基于紫硫细菌和军团菌的相关性进行了一系列推论，初步确定军团菌群的起源可追溯到 19 亿年前。
这是一个挑衅的数字。如果这个群体如此古老，并且它从其最早的共同祖先那里继承了劫持真核细胞的机制，这表明存在能够吞噬感染的真核细胞。
但目前许多基于化石和化学证据的估计，将带有线粒体的细胞的首次出现置于近 50 亿年后。研究人员认为，这一时机为线粒体是进化真核生物的晚期添加物的理论提供了依据。
乌得勒支大学的进化生物学家贝伦德·斯内尔（ Berend Snel ）说，这是对一个棘手问题的巧妙处理，他利用遗传学探索了真核生物的早期进化。他和他的同事还建议，当线粒体到达时，它会进入一个已经具有一些复杂性的宿主细胞。通过对军团菌目的分析，斯内尔认为盖伊和他的同事提出了“一个令人信服的案例”，即这种细菌存在于真核生物中，因为它们的共同祖先有一种生活在吞噬细胞内的方式。 “我认为，这是一种非常聪明和原创的互补方式来看待同一个问题，”他说。
然而，它并没有结束关于线粒体起源的争论，至少有两个原因。
盖伊的结论是军团菌的祖先可能在线粒体到来之前感染了一种原真核生物，这取决于奥克酮的年代测定。众所周知，这种分子钟的计算很模糊，误差范围很广。
巴塞罗那生物医学研究所和巴塞罗那超级计算中心的进化生物学家和遗传学家Toni Gabaldón说，因此最好将此类时间视为谜题的一部分，而不是事实陈述。 “我总是对此持保留态度。这不是无懈可击的数据，它是一个推论，一个非常困难的推论，因为我们正在谈论很多时间，”他说。
乌普萨拉大学的进化微生物学家莱昂内尔盖伊意识到，所有军团菌共有的遗传特征可能揭示了早期真核生物的能力。
除了吞噬作用之外，还有一些机制可能将线粒体的细菌祖先带入真核生物的祖先。杜塞尔多夫海因里希海涅大学的微生物学家威廉·马丁（ William Martin ）撰写了大量有关线粒体起源的文章，他坚持认为线粒体对吞噬作用的进化至关重要，反之亦然。在1998 年的一篇具有里程碑意义的论文中，马丁和他在洛克菲勒大学的同事Miklós Müller阐述了一种消耗氢气的古细菌和一种产生氢气的细菌如何能够并肩建立一个舒适的共生关系。随着时间的推移，来自古细菌的突起可能已经包围了细菌并将其吞没。
如果这是线粒体进入细胞的一种更合理的方式，那么任何关于军团菌的祖先可能已经感染原真核生物的证据都与争论无关，因为吞噬作用不是线粒体到达的先决条件。
Snel 说，对于任何关于线粒体起源的理论来说，令人沮丧的挑战是有许多细节需要解释，而且所有这些细节都很重要。 “这并没有解决问题，因为问题太大了，”他谈到新论文时说。关键事件发生在一个极其漫长的黑暗时代，没有幸存的中间形式来帮助讲述这个故事。为了理解这幅图景，我们必须利用的信息散布在从那个默默无闻中出现的生物体的基因组中。
“生命的历史写在基因组中；我们只需要学习如何阅读它，”马丁说。
要了解这种基本转变是如何发生的，科学家们可能必须从新的角度看待这个问题。例如，斯内尔说，人们普遍认为真核生物进化的第一个重大变化，无论是什么，都为其他一切奠定了基础。
但我们祖先工具包的最后一个补充可能证明对理解真核生物更为重要。 “无论最后一步是什么，它都会导致所有其他竞争对手的灭绝。也许那是最重要的，”斯内尔说。
“科学家们喜欢一个很好的谜团，”他说。 “我只想知道发生了什么。”
原文： https://www.quantamagazine.org/ancient-genes-for-symbiosis-hint-at-mitochondrias-origins-20220426/