科学家发现首个不呼吸氧气的动物

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在我们看来,有一些“真理”是永远不会改变的,比如熵永远不会减小,没有任何东西的速度可以超过光速,以及所有多细胞生物需要氧气才能生存……

然而,最近的一项新的研究结果,让我们或许要对最后一个例子进行新的审视。

这是一种有点类似水母的寄生虫,名为Henneguya salminicola(鲑居尾孢虫),科学家刚刚发现,这种寄生虫没有线粒体基因组——这是已知的首个没有线粒体基因组的多细胞生物。这意味着这些多细胞生物是不呼吸氧气的,也就是说它们的生存完全不依赖于氧气。这一发现撼动了我们对地球生命生存方式的理解。

科学家发现首个不呼吸氧气的动物

○ 寄生虫Henneguya salminicola。| 图片来源:Stephen Douglas Atkinson

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为什么在这种生物体内没有发现线粒体基因组,会令生物学家如此震惊?

我们所见过的每一种动植物都是真核生物。最早的一批生物体是一些像现代细菌一样的简单细胞。慢慢地,其中一些细胞的内部开始变得越来越复杂。这些真核生物的细胞内发展出了许多专门的设备,线粒体就是其中之一。生物学家认为,线粒体曾是一种自由生存的细菌,它们通过被一种更大的古生菌所吞噬吸收,在共生关系下共同进化,最终这些细菌成为了对呼吸过程至关重要的线粒体。

线粒体让生物拥有代谢氧气的能力,这是一种能将食物和氧气转化为能量的细胞器,这个转化过程被称为有氧呼吸。除了红细胞外,我们身体里的每一个细胞都有大量的线粒体,它们分解氧气,产生一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的分子,为多细胞生物的细胞过程提供能量。

我们知道,一些适应低氧或无氧环境的单细胞真核生物也不具有线粒体基因组,或者它们的线粒体不能行使其功能,这些生物是不需要依靠氧气就能大量繁殖的厌氧生物。但生物学家普遍认为,更复杂的多细胞生物是无法在没有线粒体的情况下生存的

直到这次,一个国际小组在对寄生动物H. salminicola进行基因测序时,得出了令人大跌眼镜的发现。

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H. salminicola是一种常见于鲑鱼的寄生虫,它是一种刺胞动物,与珊瑚虫、水母和海葵属于同一门。当鲑鱼吃了含有这些寄生虫的蠕虫时,这种寄生虫就会进入鲑鱼的肌肉中。在鱼体内,这些寄生虫看起来就像是从肌肉组织中渗出的白色气泡,虽然其样貌可能令人感到不适,但它们对鲑鱼是无害的,会在被感染的鲑鱼的整个生命周期中与之共存。

科学家发现首个不呼吸氧气的动物

○ 已经失去了线粒体基因组的H. salminicola,它们常以鲑鱼为宿主。当鲑鱼死亡时,这些寄生虫会释放出微小的孢子,然后被这种寄生虫的另一个宿主——蠕虫吃掉。| 图片来源:Stephen Douglas Atkinson

在新的研究中,生物学家对它们的DNA进行了测序,结果发现——它们根本没有线粒体DNA。一开始,研究人员还以为他们在测序过程中出现了错误,于是重复了这项工作,但第二次仍然没能发现任何线粒体DNA的迹象。

这表明,H. salminicola已经失去了线粒体基因组,也失去了有氧呼吸的能力,以及几乎所有与转录和复制线粒体有关的核基因。但它们也与一些单细胞生物一样,具有与线粒体相关的细胞器,但这些细胞器并不能产生呼吸所需的酶。

对于这个结果,研究人员感到非常困惑。于是他们用同样的测序方法,对H. salminicola的一种近亲Myxobolus squamalis进行了DNA测序,这也是一种常见于鱼体内的刺胞寄生虫。这一次,他们发现了线粒体基因组的痕迹。

结合这些研究结果,科学家认为他们首次发现了可以在低氧、无氧环境下生存的多细胞生物。

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那么,这些动物究竟是如何幸存下来的?目前,这仍然是一个谜。研究人员认为,这些微小的寄生虫经历了过一个“逆向”进化的过程,一种基因简化,使它们变得更像单细胞生物。可以说,它们基本上从一种可以自由生活的水母祖先进化成了我们今天所看到的简单寄生虫——它们不仅失去了生产ATP的细胞器,还失去了组织、神经细胞和肌肉。

H. salminicola已经丢失了大部分原始的水母基因组,但却奇怪地保留了一种类似水母蛰刺细胞的复杂结构。它们用这种结构来依附于宿主身上,看起来这种结构就像是一双眼睛一样。

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○ 电子显微镜下的Henneguya salminicola的孢子。| 图片来源:Stephen Douglas Atkinson

在这项研究中,研究人员没有发现任何其他可供H. salminicola产生生存所必须能量的机制,这意味着它们或许能利用某种蛋白质从宿主那里窃取ATP,但这一点目前还有待确定。

在论文中,研究人员写道:“我们的发现证实,对厌氧环境的适应并不是单细胞真核生物所独有的,多细胞寄生动物也能进化出这种适应性。”这是一个了不起的发现,它有助于我们理解生命是如何运作的,让我们意识到,虽然我们一直认为线粒体是真核生物更为复杂的生活方式背后的主要动力,但进化可以把生命带向有趣的方向。

参考来源:

https://www.pnas.org/content/early/2020/02/18/1909907117

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