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Nature:首个“真核”有机物如何形成的新假说

来源:科技日报 2010-10-25 10:33

10月21日,《自然》(Nature)杂志上,英国伦敦大学学院生物学家尼克·雷恩和德国杜塞尔多夫大学威廉·马丁提出了一种或能解释地球上的动物和植物原祖——首个“真核”有机物如何形成的新假说。该假说认为,复杂的多细胞生命的多样性,只会出现在一个细胞找到进入另一个细胞的途径并随时间进化成线粒体之后。

以今天的标准来说,地球上的生命在40亿年前首次出现时是相当简单的。之后的10多亿年,我们的地球被那些与今天的单细胞细菌和微生物或多或少有些相似的低微细菌和其它有机物团统治着。接着,也就是在20多亿年前,一种新的生命形式在原始流浆中诞生,这代表了一个根本不同的进程进化。我们今天知道的多细胞生命(比如使我们的地球更优美的枫木、霉菌、蘑菇、老鼠或人类等)的多样性就起源于这种有机物,但科学家仍然不知道它究竟是如何开始存在的。

线粒体是产生细胞能量的微小颗粒。人类和其它动物的细胞内拥有数以百计的线粒体,它们为身体“机器”从生到死提供着“燃料”。

新思路与以前的假说相矛盾,之前的假说认为,在线粒体出现前,复杂的多细胞生物体首先是凭自己的力量形成的。“生物学家一直认为,复杂性在前,线粒体在后。”马丁说,“我们的研究则表明,这是行不通的。线粒体是复杂性所必需的”。

线粒体的发展在地球的整个自然历史上似乎只发生过唯一的一次。美国北伊利诺伊大学生物学家尼尔·布兰科斯通表示,这是生命起源中非常具有挑战性的一步。不过,它对于一个细胞找到方法进入另一个细胞来说还不够。两者不得不以合作的状态(称为共生)共存,共享资源而不是相互竞争,共存而不是杀死对方。

开始阶段的危险是,内部细胞将成为一个寄生虫,通过与宿主细胞争夺资源而大出风头,并最终杀死宿主。不过,研究人员表示,这样的事情并没有发生,而是两个细胞共同进化了。这个内部细胞其实只在一件事情上越来越有效,那就是给细胞提供能量,而且它变得越来越小,为其新出现的功能脱落掉所有不必要的基因。

较大细胞内的能量充足性使这些新的生命形式积聚出比它们祖先多出1000倍或更多的DNA数量,允许它们变得越来越复杂,随着时间的推移逐步形成植物、动物和其他分支。

研究人员认为,这种能量学也能解释为什么缺乏这些微小能源工厂的细菌和其他细胞从来没有变得真正的复杂。它们总是面临能量限制,阻止它们获得和运用复杂性所需的成千上万的新基因。(生物谷Bioon.com)

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生物谷推荐英文摘要:

Nature doi:10.1038/nature09486

The energetics of genome complexity
Nick Lane1 & William Martin2

All complex life is composed of eukaryotic (nucleated) cells. The eukaryotic cell arose from prokaryotes just once in four billion years, and otherwise prokaryotes show no tendency to evolve greater complexity. Why not? Prokaryotic genome size is constrained by bioenergetics. The endosymbiosis that gave rise to mitochondria restructured the distribution of DNA in relation to bioenergetic membranes, permitting a remarkable 200,000-fold expansion in the number of genes expressed. This vast leap in genomic capacity was strictly dependent on mitochondrial power, and prerequisite to eukaryote complexity: the key innovation en route to multicellular life.

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