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全球地底採樣分析 揭兩大類古老微生物 30 億年來未曾呼吸

2020/8/31 — 18:47

在地球深處的極端環境,依然有大量生命繁衍。本月刊於 Frontiers in Microbiology 的研究對兩類主要地下微生物進行分析,顯示在黑暗中生命的演化路徑比我們預期的更為有趣。兩大古老的地下微生物,可能在 30 億年來從未學會過呼吸,並依靠發酵作用產生能量。

學者曾懷疑古老微生物依賴其他生物共生

在地球最初的 20 億年中,大氣中並無氧氣;當地球大氣層出現變化時,並非所有生命形式都能夠適應,許多微生物退縮到地球上含氧量較低的地方繼續生存。

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Patescibacteria 細菌超門和 DPANN 古菌超門是地下微生物的兩個普遍存在類別,兩者似乎具有非常簡單的基因組,因此很多學者都懷疑,它們均無呼吸氧氣的能力,可能需要依靠與其他生物的複雜互動來補充其簡單的生活方式。

不過,此研究表明大多數 Patescibacteria 和 DPANN 並非完全依賴其他主要生物共生,而是完全可自我存在的細胞。

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領導研究的美國 Bigelow 海洋科學實驗室研究微生物生物學和演化的高級研究員 Ramunas Stepanauskas 指,這些微生物確實是生命早期演化的特殊例子,這是令人驚喜的發現。他又指,牠們可能是古老形式的殘餘生命,並在地球地下隱藏生活了數十億年。

過去有關 Patecibacteria 和 DPANN 的研究已在地球表面附近收集了一些樣本,而這些研究主要都在北美進行,但是次研究比過去任何研究都更為深入和廣泛,分析了來自全球 46 個地點近 5,000 個微生物細胞樣本,包括來自地中海海底的泥火山、太平洋的熱泉口和南非金礦。

代謝僅依賴於發酵作用

團隊在報告中明言,是次對單細胞基因組和生物物理的觀察不支持主流兩個超門需要與其他生命共生才能生存的觀點。團隊又指,這些微生物相對地表同類的基因編碼潛力不同、基因組較小和細胞較小,可能是祖先原始新陳代謝的結果,而該代謝僅依賴於發酵作用 (fermentation) 。

發酵是生物在不借助氧氣的情況下分解葡萄糖的新陳代謝選擇之一,許多生物都利用發酵來產生能量。

但發酵製造能量的效率不及呼吸:發酵時每個葡萄糖只能產生 2 個三磷酸腺苷 (ATP) 這種細胞能量傳遞「貨幣」,而有氧呼吸時每個葡萄糖則可產生 38 個 ATP ,因此只使用發酵的微生物以新陳代謝緩慢作為代價。

Patecibacteria 與 DPANN 對此似乎並不在意,研究更指,這兩類微生物不包含所謂的「電子傳輸鏈」,傳輸鏈是一個通過將電子轉到氧上而產生能量的代謝過程;它們相對簡單、古老的生存技巧根本就不需要該鏈。

對該些樣本進行的基因組研究和直接實驗測試,均未發現其有呼吸作用的證據,而對細胞間聯繫的仔細檢查顯示,大多數細胞都是獨立存在,不似其地表近親那樣與宿主有聯繫。

團隊不否認某些共生關係可能在採樣時已受影響,但在分類細胞時團隊有曾混和各樣本。另外,即使團隊低估了細胞間的互動,與其他門微生物相比,其基因組分析也無發現共生關係促進演化的證據。相反,基因組含量和細胞生理學的分析表明,這些微生物除發酵外幾乎沒有其他產生能量的方式。

Stepanauskas 補充,發現表明, Patecibacteria 與 DPANN 是古老的生命形式,可能從未學會過呼吸。

來源:
Science Alert, Microbes Living Deep Below Earth's Surface Could Be Remnants of Ancient Life Forms, 28 August 2020

報告:
Beam, J.P., Becraft, E.D., Brown, J.M. & et al. (2020). Ancestral Absence of Electron Transport Chains in Patescibacteria and DPANN. Front. Microbiol., 17 August 2020. doi: 10.3389/fmicb.2020.01848

文/Alan Chiu

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