复杂生命“由内而外”起源理论颠覆传统观点

2014年10月29日 09:39   新浪科技 微博    收藏本文     

  新浪科技讯 北京时间29日消息,据国外媒体报道,近日,一个有关复杂生命起源的新观点有可能彻底推翻现有的理论。在公开获取的《BMC Biology》杂志上,巴兹·鲍姆(Buzz Baum)和大卫·鲍姆(David Baum)两位学者提出了他们的“由内而外”(inside-out)理论,对真核细胞——组成了所有的多细胞生命,包括人类——的演化过程做出了解释。

  长期以来,科学家一直在思考简单的“原核”细胞如何演化成复杂得多的真核细胞。原核细胞,如细菌等,就如同一个由细胞膜包围起来的袋子,而在真核细胞内部,则具有发达的内膜系统,存在着内质网、高尔基体、线粒体等多种细胞器。真核细胞最主要的特征是具有被核膜包围的细胞核,其内部含有以DNA形式存在的遗传信息。内质网控制蛋白质和脂质在细胞内部的转运。线粒体扮演着细胞发动机的角色,其内部含有自己独特的DNA,通常认为是由内共生的原核生物发展而来。现在的难题是,还没有人发现过在复杂性上处于中间状态的真核细胞,这也使认识其演化过程变得十分困难。

  目前最广为接受的理论是,线粒体最初是一种细菌,被一种古菌吞噬进细胞内部。古菌又称古细菌,属于原核生物,它们与细菌有很多相似之处,但在分子特征上又有很多差异。包括核膜在内的真核细胞内膜系统,就是由这种古菌通过外膜内陷的方式形成。这一理论与现有的许多数据相吻合,但仍存在一些问题。其中最重要的一个问题是,目前还没有发现外膜内陷的古菌。

  另一方面,线粒体看起来很可能并不是被古菌吞噬的,因为吞噬活动需要很多能量,而在真核细胞中,正是线粒体负责提供能量。而且,吞噬活动还需要用到源自线粒体的脂质。来自威斯康辛大学的大卫·鲍姆说:“所有人都同意真核生物起源于两种细胞类型的共生作用:细菌变成了线粒体,而宿主,即古菌或者古菌的近亲,变成了细胞质和细胞核。这一共生关系解释了线粒体的起源,但其他真核细胞结构,特别是细胞核的形成并没有合理的解释。”

  巴兹·鲍姆和大卫鲍姆的“由内而外”理论提供了一种渐进的真核细胞演化路径。首先,细菌的细胞外膜形成泡状突起,称为“泡体”(bleb)。这些泡体捕获了自由活动的类似线粒体的细菌,在与细菌密切接触的过程中,古菌细胞获得了能量和脂质,体积变大,泡体也变得更大。

  泡体的侧面逐渐形成了内质网,内表面则形成了细胞核的外膜,原先古菌的细胞膜外膜变成了我们现在所说的内核膜。最终,泡体与另一个泡体的融合导致了质膜的形成,我们现在所知的真核细胞由此出现。

  大卫·鲍姆利用一个比喻来解释这种“由内而外”理论与以往理论的区别:“原核细胞可以看作是一个由巨大的开放建筑组成的工厂,管理人员、技术工人、收发员、门卫等都在一块工作。相比之下,真核细胞就像是一个工厂综合体,由一系列相互联系的工作场所组成:控制室、接收室、生产车间、运输网和废物处理站等等。传统理论认为,这种工厂综合体的出现,就像是在飞机库式的建筑中建造起不同的隔间。‘由内而外’理论则认为,一系列扩展建筑被加到最初的核心建筑——即控制室——的周围,同时其他功能也移入了新的、专门的区域。”

  “由内而外”理论与现有的所有理论都完全不同,因为真核细胞是在原始细胞的外部形成的。大卫·鲍姆在30年前就已经有了这一理论的框架,当时他还是一名大学生。他说:“‘由内而外’理论可以说是其他由外而内模型的明显替代者,但或许只有一名天真的大学生,才会从这样一个颠覆性的视角进行思考。”

  我们无法知道这些早期的演化步骤是何时发生的,但可以通过现有的过程来获得启发。巴兹和大卫利用一些现生的古菌样本,制造出了类似泡体的结构,以支持他们的理论。他们还列举了许多可以用该理论解释的真核细胞的普遍特征。

  与任何好的科学理论一样,“由内而外”模型也会引出许多可以在现生细胞中进行检验的预测。研究者希望该理论能够激起更多的实证研究,因为关于原核细胞和真核细胞还有很多很多的未解谜题。

  《BMC Biology》的编辑米兰达·罗伯逊(Miranda Robertson)对“由内而外”理论的评论是:“并不是所有人都会被这一理论说服,任何像真核细胞起源这样古老的事件,其重构过程都将会有许多不确定的、徒劳无功的地方。但是,如果一个理论能促使人们去思考、验证,那它就并不一定非得是正确的、有用的。”

  来自伦敦大学学院的巴兹·鲍姆说:“即使这一假说错了,或者其中一部分被驳倒,我们也会乐观地认为,它将带来新的细胞生物学发现,并促进我们对真核细胞生长和分裂等生物学的了解。学习细胞生物学的学生或许会认为,他们进入了一个几乎所有事情都已知的领域,已经不能做出什么贡献,但事实并非如此。新的模型有助于厘清事实,但还有许多有关真核细胞起源的基本问题等待解决。”(任天)

文章关键词: 复杂生命真核细胞线粒体

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