一个打破生物学重大规则的微小细胞

# 打破生物学重大规则的微小细胞 来源：https://grist.org/science/nitrogen-cycle-cell-discovery-nitroplast-science-fertilizer-algae-bacteria/ 几十年来，Jon Zehr一直被一种他知道存在却看不到的生物所困扰。 这一切始于90年代，在海洋中央的一艘研究船上。Zehr是一位海洋学家，研究固氮细菌——这种简单的微生物能将氮元素直接从空气中提取出来，使其成为植物和动物可用的生物来源。当时，科学家们只认真研究过整个海洋中的一种固氮细菌，但Zehr想改变这一点。他的计划是收集并测试海水样本，希望能发现其他科学家遗漏的东西。 一张旧照片，一大群人站在船甲板上。中心位置，Jon Zehr坐在地上。 一张Jon Zehr在实验室工作台工作的旧照片。 左图：Jon Zehr（底部中央）坐在研究船上。右图：Zehr在实验室研究固氮细菌。***图片由Jon Zehr提供。*** Zehr的计划涉及当时相当前沿的技术：DNA。他收集海水样本，并检测是否存在固氮酶基因——这种酶赋予细菌从空气中提取氮的能力。如果检测出阳性结果，就意味着海水中可能含有某种新型固氮细菌。 这个方法奏效了。几乎立刻，他就发现了一种科学界此前未知的固氮细菌的痕迹。通过研究基因本身，他大致能判断这种新细菌的模样。它很可能是一种单细胞蓝藻，大小约3微米，在显微镜下应发出橙色荧光。他满怀期待地将海水样本放在显微镜下，希望能看到这种细菌无处不在。 然而，他什么也没找到。样本中没有符合描述的微生物。 Zehr感到惊讶，他反复进行实验。他测试了从夏威夷热带水域到南加勒比海，直至北极寒冷水域的海水样本。一次又一次，基因特征出现，但可见的细菌却不见踪影。就好像他发现了一个脚印，却没有动物。 但他不想停止寻找。他知道，任何新发现都可能代表地球脆弱的氮循环中的关键环节。“这个我一直追下去，因为它在全球范围内都很重要，”Zehr说。 --- 要理解Jon的执着，需要先了解一个奇特的生物学限制——用一位科学家的话说，一个残酷的玩笑——它位于地球上所有生命的核心。情况是这样的：所有生物都需要氮元素才能生存。它是蛋白质、DNA和RNA的关键组成部分。然而，尽管我们的大气中充满了氮气，但唯一能将氮从空气中提取出来供生物实际利用的酶，在氧气存在下基本会分解。因此，即使植物、动物和真菌不断被空气中的氮包围，它们也无法自行获取。 唯一能完成这一任务的生物是那些可以在没有氧气的情况下生存的：极其简单的细菌和古菌。这意味着整个自然界依赖相对较少的微生物物种，才能使氮被更复杂的生命形式所用。 一个显示生命树简单和复杂分支的示意图 动物、植物和真菌依赖像细菌和古菌这样的简单微生物来获取氮。Jesse Nichols / Grist 这一生物学瓶颈对人类文明产生了重大影响。氮是肥料的主要成分，因为植物需要它来生长。给土壤增氮能大幅提高作物产量——这对养活日益增长的人口至关重要。几个世纪前，肥料严重短缺，以至于国家之间为争夺覆盖着富含氮的鸟粪的岛屿而发动战争。20世纪初，德国科学家发明了一种工业方法，用于制造合成（即实验室制造）肥料。虽然这项发明使数十亿人免于饥饿，但也对环境造成了严重破坏。生产合成肥料消耗大量能源（https://climate.mit.edu/explainers/fertilizer-and-climate-change），而肥料的过度使用导致水体污染，在海洋中形成了巨大的“死亡区（https://www.youtube.com/watch?v=YQd8FUELp7w）”。 这两个相互矛盾的问题——氮过多和过少的后果——让科学家开始思考像自施肥植物这样的创新。但尽管怀揣梦想，研究人员至今未能培育出一种能够自行固氮的复杂生命形式。生命树复杂一侧的生物无法从空气中提取氮，这似乎是一条铁律。 这让Jon Zehr的那种特定固氮细菌似乎不按常理出牌，显得更加令人困惑。他的研究团队拥有大量该生物的DNA，但找不到真正的生物本身。不仅如此，他们研究得越多，就越觉得这种细菌的DNA不合常理。通过遗传标记，他们发现这是光合细菌，但它实际上似乎没有进行光合作用的基因。事实上，它的整个基因组似乎丢失了约80%，包括几个按理说它生存所需的基因。这种生物与其说是一个完整的细菌，不如说是一堆缺失。它到底是怎么活着的？ 经过多年研究这个谜题，Zehr开始注意到一个规律：每个含有神秘细菌DNA的海水样本，也同时含有一种特定藻类的DNA。他从未在显微镜下看到这种细菌，会不会是因为它就隐藏在光天化日之下，*在*另一种生物*内部*？这或许也能解释这种细菌如何在缺失那么多基因的情况下生存下来。 Zehr开始怀疑，这种藻类就是他追寻了几十年的缺失环节。他不知道的是，在地球的另一端，另一个人花了多年时间试图解决同一个谜题的另一半。 一位日本女性站在海边 尽管被告知她的研究对他人没有用处，日本科学家Kyoko Hagino将职业生涯的大部分时间用于研究一种名为*Braarudosphaera bigelowii*的藻类。 Naotomo Umewaka / Grist Kyoko Hagino是来自日本高知县的藻类科学家。就像Jon Zehr一样，她的故事也始于90年代末，一种微生物改变了她的职业生涯。她曾是一个古生物学研究团队的成员，研究海底微小的藻类化石，以拼凑地球过去的气候信息。 在她检查过的无数微小化石中，有一个让她完全着迷。那是一种叫做*Braarudosphaera bigelowii*的藻类。Hagino亲切地称它为Bigelowii。 在Bigelowii生命的某些阶段，它会用美丽的几何外壳包围自己，Hagino在样本中会找到这些五边形骨架。“当我第一次发现Bigelowii时，我觉得它的形状非常漂亮，”她说。“它的形状像宝石一样非常美丽。” 但没有人真正了解生活在这种藻类内部的东西。这正是Hagino想研究的。但似乎没有其他人像她一样为此着迷。 一张显微镜图像，显示Braarudosphaera bigelowii处于宝石般的钙化（左）和非钙化（右）形式。 *Braarudosphaera bigelowii*处于宝石般的钙化（左）和非钙化（右）形式。 图片由Kyoko Hagino提供 “当我刚开始研究时，我的老板当时反对这样做，”她说。“（我被告知）即使你做这种没人读的研究，也找不到工作。” 当时，Hagino在大学很难找到职位。同时，她还要照顾年幼的孩子。并且她要搬到丈夫找到工作的新城市。生活中的一切似乎都在发出明确信息：她应该放弃它，去研究别的东西。但Hagino就是做不到。不管什么原因，这种藻类令她完全着迷，她想了解它的一切。即使这意味着她要独自研究。 所以Hagino和她的女儿开始去海滩旅行，收集海水样本，希望能找到这种难以捉摸的藻类。多年来，她们进行了数百次这样的旅行。她们经常这样做，以至于她的女儿真的不知道人们去海滩还有别的原因，比如游泳。 “海洋——那不是收集海水的地方吗？”Hagino复述女儿的话说。 Kyoko Hagino和她的女儿收集海水样本。***图片由Kyoko Hagino提供。*** 然后Hagino会在家里花几个小时用显微镜寻找Bigelowii细胞，找到后就把它们一个个挑出来。这非常耗时，但这也是研究它们的唯一方法。无论她怎么做，这些细胞都不愿意在试管里生长。 多年来，Hagino在没有大学薪水的情况下努力培养培养物。为了维持生计，她最终在一家实验室找了一份洗试管的兼职工作。有一天，她与那里的一位科学家交谈，他建议在她的培养物中添加一种不寻常的成分。那不是化学物质或你通常在实验室里能找到的东西。而是tokoroten，一种由海藻制成的传统日本果冻面条。 让Hagino惊讶的是，这些面条正是Bigelowii所需要的。 “我看到Bigelowii在游动，数量在增加，”她说。“我极度开心。” 一位女性端着一碗tokoroten面条 左图：Kyoko Hagino端着一碗tokoroten，这是她在Bigelowii培养物中使用的秘密成分。***Naotomo Umewaka / Grist。***右图：Hagino培养物的显微镜图像。***图片由Zehr实验室提供。*** 现在她有了培养物，终于可以培养足够的细胞来回答关于这种生物的一些重大问题。而Hagino心中最急切的一个问题，是她在多年研究Bigelowii的过程中注意到的一个奇怪现象。它拥有藻类细胞的所有正常组成部分。但还有一个她无法解释的东西——她从未在任何教科书中见过。那是藻类中心的一个黑点。 一种六边形微生物的透射电子显微镜图像，圆圈标出了细胞的一部分。 Bigelowii的透射电子显微镜图像显示了一个奇怪的物体。图片由Kyoko Hagino提供 Hagino正准备发表一篇关于这个神秘黑点的论文，这时她偶然看到一篇刚刚发表在《美国科学》杂志上的文章。文章描述了对一种看似看不见的固氮细菌的寻找，作者推测这种细菌很可能生活在一种藻类体内。文章作者是Jon Zehr，他提到的正是*Braarudosphaera bigelowii*。 Hagino想到了她在Bigelowii内部发现的那个奇怪物体。碎片吻合。她对Bigelowii进行了基因测试，结果为阳性：她找到了Zehr多年寻找的那种固氮细菌。 “我从没想过有人在研究Bigelowii，”她说。“想到自己被超越了，我很震惊。” 当Hagino联系Zehr并分享她的发现时，Zehr也同样惊讶——同一个谜题，在海洋的另一端被攻克。“我们俩都不知道这两件事是关联的！”他说。 Hagino和Zehr都花了职业生涯试图解决一个科学难题，却不知道对方掌握着自己缺失的那一块。现在他们有了培养物，终于有机会解开一个他们从未想象过会如此深奥的谜团。 他们一起将揭示一种合作程度，从而改写生物学的一条基本规则。 一个戴帽子的人看向屏幕外的海洋。背景可见金门大桥。 Zehr和Hagino眺望太平洋。***左图：Naotomo Umewaka / Grist 右图：Jesse Nichols / Grist*** 自然界充满了共生关系：两种生物互相帮助。电影《海底总动员》中的小丑鱼就是一个很好的例子——它照顾海葵伙伴（https://marinesanctuary.org/blog/sea-anemone-and-clownfish-behind-the-scenes-of-an-iconic-friendship/），以换取安全的住所。但这类互助关系可能越来越紧密。有些生物生活在其他生物体内，比如珊瑚（https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_corals/coral02_zooxanthellae.html），它们从生活在体内的虫黄藻那里获取食物。你甚至还有细胞生活在其他细胞内部。到一定程度，这种关系变得如此密切，我们甚至不确定一种生物从哪里开始，另一种从哪里结束。 如今，两种生物融合——从被视为独立实体到成为同一个体的一部分——是相当令人费解的，这在地球生命史上只发生过几次。两个著名的例子是线粒体（所有复杂生命形式中细胞的能量工厂）和叶绿体（植物细胞中利用光合作用将阳光和二氧化碳转化为食物的部分）。这两个例子都始于独立的细胞，随着时间的推移，它们与伙伴的关系变得如此紧密，以至于成为了细胞器：其他细胞内部的微小器官。 那么Bigelowii与其内部细菌的关系呢？两者之间的关系无疑是密切的。Zehr和Hagino急于弄清楚它们究竟如何协同工作。于是他们展开了合作。她向Zehr的实验室寄送了一份培养物，并希望随着实验的进行能够前往加州参观。 当培养物到达Zehr办公室时，他激动地拍了张照片来记录这一刻。他的团队讨论了要首先进行哪些实验。 一位男士对一位微笑的女士微笑，她手里拿着一摞纸板箱。 Jon Zehr笑着收到2020年Hagino寄来的第一批Bigelowii培养物。图片由Zehr实验室提供 “我们整个实验室围坐在一起，决定了要最先做的十件事，因为我们不知道培养物能存活多久，”他说。“然后三天内，新冠封锁开始了。” 疫情打乱了他们所有的计划。日本实施了非常严格的旅行限制，这些限制持续了多年。经过这么多努力，Hagino无法亲自与Zehr会合。但两人仍然渴望答案，他们决定Zehr的实验室应该继续进行测试。Hagino则利用她与Zehr共享的资助资金，在远方尽最大努力提供帮助。 很快，他们开始找到线索，表明藻类和细菌之间的关系并非标准的共生案例。Bigelowii和细菌总是同时分裂。它们还保持着一致的大小关系，方式与线粒体或叶绿体非常相似。 但最有力的证据来自Zehr实验室的博士后Tyler Coale。他正在研究这两种生物体内的蛋白质，这时他注意到一个奇怪的现象：细菌体内充满了它们没有基因制造的蛋白质。相反，这些蛋白质是由Bigelowii体内发现的额外基因产生的。而这些额外基因的末端，都有同一段短DNA序列反复出现。