PNAS解答生物学最大的谜团之一：代谢不是原核生物内共生的限制因素

　　“生物学最大的谜团之一，”Eric Libby说，“是真核发生，或者真核生物是如何产生的。”科学家们认为这是一个主要的进化过渡时期，对我们了解地球上生命的历史和进化至关重要。

　　

   

   

图片:(从左起)Eric Libby, Jordan Okie和Christopher Kempes是PNAS上一项新研究的作者，他们探索了代谢相容性作为原糖内共生的一个可能的限制因素。

   

“生物学最大的谜团之一，是真核发生，或者真核生物是如何产生的。”科学家们认为这是一个主要的进化过渡时期，对我们了解地球上生命的历史和进化至关重要。

在2023年4月21日发表在《美国科学院院刊》上的一项新研究中，Libby与亚利桑那州立大学的SFI教授Christopher Kempes和Jordan Okie合作，通过使用各种理论技术关注新陈代谢来调查这个谜团。

有证据表明，当两种原核生物——一种细菌和一种古细菌——与居住在古细菌细胞壁内的细菌合并时，真核生物就形成了。这种一个细胞在另一个细胞内的合作生活，一种内共生的存在，导致了真核生物的整个多样性，包括所有像我们这样的复杂生命。今天，科学家们在现代真核生物的细胞内发现了内共生的痕迹，从哺乳动物和鸟类到植物和真菌:细胞器，如线粒体和叶绿体，曾经是独立的有机体。然而，当我们环顾自然界时，在原核生物中很少看到内共生现象。

为什么?进化生物学家还不知道。有许多理论存在，但很少有被建模或量化的。

“新陈代谢是一个根本性的挑战，如果一个细胞吞噬了另一个，两个细胞都能生长吗?”它们能在种群中与不需要维持两个细胞的其他细胞竞争吗?”

研究小组使用了三个大型数据库，其中包含各种原核生物的完整基因组模型，以测试可能限制内共生的三个进化阶段:生存能力、持久性和进化性。

第一个代谢问题——生存能力——问的是内共生的两种生物是否能获得生存所需的资源。内共生体——生活在体内的个体——从宿主细胞内获取所需的一切有多难?

“事实证明，这很简单，我们尝试配对的网络中，有一半以上是可行的。”

第二个和第三个问题——持久性和进化性——衡量内共生在不断变化的环境中与其直接祖先竞争的能力。研究结果表明，大多数配对都不如它们的祖先更适合，更不容易进化，但并非总是如此。

“从某种意义上说，令人惊讶的是，超过一半的原核生物之间可能的内共生实际上可能存活下来，同样令人惊讶的是，在内共生中有两个基因组，它们的适应能力不如单基因组的祖先。这两个结果都违背了我们最初的预期。”

Okie补充说:“这意味着它们在地球上多样化和辐射的潜力较低，这可能有助于解释为什么除了真核生物外，今天的原核生物内共生相对较少。”

然而，其中一个有趣的发现是，当环境中的资源变得稀缺时，许多模型对确实具有优势，Okie说。“这一发现可能有助于指导对地球微生物群的探索，以发现生活在我们身边的更多原核内共生生物。”

该研究表明，代谢网络兼容性可能不是原核生物内共生的限制因素。尽管如此，仍然存在各种各样的其他理论和主张。

“我们需要开始量化这些说法，”肯佩斯说。“真核发生的挑战有多难?”我们需要一个共同的尺度，既可以理解过去，也可以作为合成生物学家构建新细胞器或提高细胞效率的基准。”量化这一挑战的难度是理解地球上生命如何进化、宇宙中其他地方存在生命的可能性以及在实验室中创造生命的可能性的关键。

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Metabolic compatibility and the rarity of prokaryote endosymbioses