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发表在最新一期《自然生态与进化》杂志上的一项新研究，挑战了解释第一批真核生物出现的流行观点。
图:线粒体是真核细胞中的能量发电站。一种流行的假说认为，这些细胞器是从细菌和古细菌等更简单的原核生物向更大、更复杂的真核生物过渡的先决条件。这项新研究对这种假设提出了挑战。
刚开始的时候，很无聊。大约35亿年前，随着地球上细胞生命的出现，缺乏细胞核和其他详细内部结构的简单细胞主宰了地球。在这些所谓的原核细胞(细菌和古细菌)的进化发展过程中，情况将在接下来的十亿年半内基本保持不变。
然后，一些非凡的和前所未有的事情发生了。一种被称为真核生物的新型细胞出现了。真核生物会进化出许多复杂的内部模块或细胞器，包括内质网、高尔基体和线粒体，形成各种各样的细胞类型——地球上所有后续植物和动物生命的前身。原核细胞，包括细菌和古细菌，是结构简单的生物，缺乏真核生物中发现的复杂的内部结构。今天所有现存的植物和动物物种都起源于“最后的真核共同祖先”(LECA)。从原核生物到真核生物的转变一直是生物学家们试图解开的一个核心谜。
这种关键的转变是如何发生的，仍然是生物学中的一个核心谜。
在一项新的研究中，生物设计进化机制中心的研究员Paul Schavemaker和Sergio Mu?oz-Gómez(前亚利桑那州立大学的研究员，现任法国奥赛Université Paris-Saclay的研究员)重新审视了真核生物出现的谜团。
他们的研究发表在最新一期的杂志上，挑战了解释第一批真核生物出现的流行设想。
研究人员详细探讨了真核细胞的能量需求，与原核生物相比，真核细胞平均更大，更复杂。他们的定量结果与由生物学家尼克·莱恩和比尔·马丁首先提出的一种主流教条相反。
莱恩和马丁的基本观点是，细胞的发育命运受其能量供应的支配。简单的原核生物大多很小，由单细胞或小菌落组成，可以依靠更有限的能量储存来维持其活动。但是，一旦细胞达到足够的大小和复杂性，它最终就会到达一个障碍，这些原核生物无法越过这个障碍。至少理论上是这样的。
根据这一观点，地球历史上一个奇异的事件突然催生了真核生物，它们随后成长并多样化，占据了地球上从海底喷口到北极苔原的每一个生态位。当一个自由生活的原核细胞在其内部获得另一个微小的有机体时，这种巨大的多样化就发生了。
通过一个被称为内共生的过程，新的常驻细胞被这个原真核生物占据，为它提供额外的能量并使其转化。它所获得的内共生体最终会发展成线粒体——只有真核细胞才有的细胞动力源。
因为今天所有复杂的生命都可以追溯到进化树的一个单一的真核生物分支，所以人们假定这种偶然的内共生事件，即获得线粒体，在地球上整个生命历史中只发生过一次。这自然的意外是我们在这里的原因。如果没有线粒体，更大的体积和复杂性的真核生物将无法在能量上存活。
这项新研究的作者称，还没那么快。
穿越边境
沙维梅克指出，虽然在今天的生物中，原核生物和真核生物之间的区别是显而易见的，但在过渡阶段，情况就更加模糊了。最终，所有现存的真核生物的共同特征将被获得，产生一个被研究人员称为LECA或最后的真核生物共同祖先的有机体。
这项新研究探讨了第一批真核生物的出现，并指出，与其用一条硬性的界线将它们与原核生物祖先区分开来，真实的情况要复杂得多。原核生物和真核生物在细胞体积、内部复杂性和基因数量方面没有不可逾越的鸿沟，相反，两种细胞形式有相当多的重叠。
研究人员调查了一系列原核和真核细胞类型，以确定a)原核生物中的细胞体积如何最终作用于限制呼吸所需的细胞膜表面积，b)一个细胞根据其基因组的排列必须引导多少能量进行DNA活动，c)不同体积的细胞内共生的成本和效益。
事实证明，细胞可以生长到相当大的体积，并获得至少一些复杂细胞的特征，同时保持主要的原核性质，没有线粒体的存在。
线粒体是真核细胞中的能量发电站。一种流行的假说认为，这些细胞器是从细菌和古细菌等更简单的原核生物向更大、更复杂的真核生物过渡的先决条件。这项新研究对这种假设提出了挑战。绘图:Jason Drees
不断增长的能源需求
研究人员研究了细胞对呼吸系统的需求是如何随细胞体积的变化而变化的，通过测量ATP合酶分子的数量来为细胞的生长和维持提供ATP能量。他们还利用Lynch和Marinov的数据，描述了细胞表面积对能量需求的影响。
沙维梅克说:“我们实际上观察了细胞的表面积，发现ATP合酶的数量比细胞膜增长的更快。”“这意味着在增加细胞大小的某个点上，会有一个体积限制，即ATP合酶不能以一定的速度为细胞分裂提供足够的ATP。”真核生物通过线粒体等内部膜结合结构提供的额外呼吸表面积来克服这一障碍。
有趣的是，这种细胞体积的极限并不像之前的理论预测的那样出现在原核生物和真核生物的边界上。相反，“它发生在更大的细胞体积中，大约103立方微米，包含了许多现有的真核生物。这就是为什么我们认为线粒体可能不是绝对必要的。它们可能起到了帮助作用，但对于向更大的交易量过渡来说，它们不是必不可少的。”
当比较原核生物和真核生物的基因排列时，也会发生类似的情况。原核生物的基因组结构据说是对称的，由一个圆形的双链长度的DNA组成。许多细菌在每个细胞中都有多个基因组副本。
但真核生物有不同的基因组结构，称为不对称。真核生物基因组排列的关键优势在于它们不需要像原核生物那样在整个细胞中保持基因组拷贝。对于大多数基因来说，真核生物可以在细胞核中保持一个或两个拷贝;只有少量的基因存在于散布在细胞各处的线粒体基因组的许多副本上。
相比之下，大型细菌的整个基因组有很多副本，每个基因组包含每个基因的副本，存在于整个细胞中。这种区别使得真核生物可以在不像原核生物那样面临能量限制的情况下，在相当大的体积上生长。但是，研究人员再次观察到原核生物和真核生物的基因数量有明显的重叠，这表明原核生物可以将其基因数量扩大到通常与更大的真核生物相关的领域，直到它们达到一个临界阈值，超过这个阈值，它们的基因组对称性就成为一个限制因素。
LECA重新审视
早期真核生物进化的新图景为线粒体优先范式提供了一个可信的替代方案。进化并没有以一个宏大的姿态——偶然获得一个线粒体原型——来引领真核生物时代的到来，而是在漫长的时间里，一系列尝试性的、渐进的、逐步的变化，最终产生了复杂的细胞，这些细胞充满了复杂的内部结构，并且能够爆炸式地多样化。
这项新研究中引用了林奇和马里诺夫的早期研究，他们的观点更为激进，暗示线粒体对早期真核生物几乎没有任何好处。这项新研究提出了一个更为温和的观点，认为除了关键的细胞体积外，线粒体以及现代真核细胞的其他特征对于满足大细胞的能量需求是必要的，但如果没有这些创新，一系列较小的原真核生物可能也能过得很好。
因此，在向神秘的LECA事件过渡之前，可能有一系列生物体，这些生物体最初可能是没有线粒体的。
这项新研究还对真核生物转化事件的时间提出了质疑。也许这种巨大的转变始于真核细胞骨架或其他高级结构的发展。当一个较小的原核生物被一个较大的原核生物吞噬时，通过一个被称为吞噬作用的过程，或者线粒体作为寄生虫入侵第一个原核生物，内部线粒体及其附加的细胞基因组可能就开始了。我们还需要进行更多的研究，才能自信地将一系列导致成熟的真核生物的事件按正确的顺序排列。
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