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2014 年 9 月，克里斯特·施萊珀在斯洛維尼亞開始了非同尋常的狩獵之旅。施萊珀沒有像往常那樣尋找鹿或野豬，而是尋找洛基古菌，或稱洛基，這是一組新發現的生物，最初在挪威海岸附近的深海噴口附近發現。這些簡單的單細胞生物引起了科學家的興趣，因為它們與科學已知的任何其他生物都不同。它們屬於被稱為古菌的古老生物群體，但它們似乎與更復雜的生命形式（包括我們）具有一些共同特徵。
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儘管對洛基知之甚少，但科學家希望它將有助於解決生物學中最大的謎團之一：生命如何從簡單的單細胞生物轉變為被稱為真核生物的複雜生物群——這一類別包括從酵母到杜鵑花再到大象的所有生物。“除了生命的起源之外，生命史上可能沒有更大的謎團了，”新斯科舍省達爾豪西大學的進化生物學家約翰·阿奇博爾德說。
從單細胞到複雜生物的飛躍是如此令人困惑，因為它代表著巨大的進化鴻溝。“你如何製造一個真核生物，這是一個大問題，”奧地利維也納大學的微生物學家施萊珀說。“這是一個巨大的轉變。”
雖然單細胞生物遍佈地球並具有令人印象深刻的生物化學能力（例如，有些可以吃核廢料），但它們的結構和形狀仍然很簡單。構成真核生物的動物、植物和真菌的細胞要複雜得多。它們擁有其簡單的同類所缺乏的一系列特徵：一個容納 DNA 的細胞核；一種稱為線粒體的能量產生裝置；以及一種稱為細胞骨架的分子結構，可控制細胞的形狀和運動。
大多數生物學家都同意，大約在 20 億年前的某個時刻，一個沒有特徵的細胞吞噬了另一個細胞，兩者開始作為一個整體協同工作。但是這個過程的細節——這種共生關係是啟動了進化過程，還是它發生在通往真核生物的路徑的中途——仍然在推動該領域的巨大爭議。一組人認為，真核生物是在細胞能量工廠（稱為線粒體）的驅動下迅速爆發形成的。另一些人則提出一個較慢的逐步過程。他們說，線粒體不可能在簡單的細胞中發育；線粒體出現之前，必須先進化出一定程度的複雜性。這場辯論變得如此激烈，以至於每個陣營的成員都不再參加對方的會議。
由於生物學家無法回到過去，他們會在現存的生物中尋找線索。但是在古代單細胞生命和早期真核生物之間不存在可檢測到的中間體，這使得幾乎不可能重建進化事件的順序。“當某件事只發生一次時，就很難解決這個問題，”阿奇博爾德說。“我們只能研究現代生物的 DNA 序列，並試圖將它們拼接在一起。”
洛基出現了，一些科學家稱其為微生物缺失的環節。它起源於一個古老的血統，是一種具有明顯複雜性片段的簡單生物。基因分析將洛基明確地置於單細胞古菌中。但是，它擁有一系列有趣的基因，這些基因似乎更適合真核生物，就像現代詞語點綴著中世紀的手稿一樣。實際上，洛基的遺傳機制表明，該生物可能能夠吞噬其他細胞，這是線粒體產生的第一步。“這些基因可能為真核生物的產生，即真核生物的出現提供了入門工具，”瑞典烏普薩拉大學的微生物學家蒂斯·埃特瑪說，他與施萊珀合作在去年五月的《自然》雜誌上首次描述了洛基。
因此，洛基概述了一個新的真核生物潛在起源故事，該故事在兩個極端之間走了一條中間道路。線粒體可能在真核生物進化的早期就誕生了。但是，第一個線粒體宿主可能已經擁有了一些複雜的特徵，最顯著的是吞噬其他細胞的能力。“它暗示[洛基]是通向真核生物複雜性的墊腳石，”阿奇博爾德說。
施萊珀、埃特瑪和其他人現在正在尋找新的洛基變種，希望找到一些在進化樹上更接近真核生物的變種。施萊珀前往斯洛維尼亞的考察是這項持續狩獵的一部分。這次旅行很成功，但她不願透露細節，因為擔心被搶先。就像淘金者一樣，她有自己秘密的方法來找出最有可能找到洛基的地方。然而，她的發現更加珍貴——它們有望揭示覆雜生命如何開始的奧秘。
線粒體融合
與它們更原始的古菌祖先相比，真核生物具有許多創新之處。其中最值得注意的是細胞核，它容納的 DNA 比細菌和古菌所能容納的要多得多，以及線粒體，它為製造該基因組產生的許多蛋白質提供能量。
細胞核和線粒體都反映了真核生物生命早期發生的非凡融合。在某個時刻，一個古菌或原始真核生物吞噬了一個細菌，發展了一種共生關係。出乎意料的是，這兩個生物變得不可逆轉地交織在一起。駐留細菌越來越依賴其宿主細胞，放棄了其絕大多數基因，其中一些基因最終進入了細胞核。結果是進化史上的一項獨特發展，誕生了線粒體。
倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩說：“進化史的 40 億年裡，一個單一事件塑造了真核生物的整個未來進化——這有點奇怪。”“它很可能會出錯，因為這兩個生物必須弄清楚如何相處並同步它們的生命週期。”
線粒體究竟是如何以及何時出現的，是圍繞真核生物起源的最大爭議之一。線粒體是早期出現的，還是真核生物隨著時間的推移逐漸發展，並在途中某個地方獲得了線粒體？
阿奇博爾德說：“該領域實際上一直糾結於真核細胞複雜性的主體是線上粒體進化之前、期間還是之後出現的問題。”這場辯論非常激烈，以至於當埃特瑪開始探索這個問題時，同事們告訴他這將是自毀職業生涯。
第一個選項，稱為大爆炸或線粒體早期理論，預測一個原始古菌吞噬了一個細菌，這一事件推動了真核生物的發展。但是，尚不清楚古菌是如何獲得該細菌的。科學家只知道細菌生活在其他細菌內的兩種情況。（另一方面，真核生物經常攜帶共生細菌。）馬里蘭州貝塞斯達國家生物技術資訊中心的進化生物學家尤金·庫寧說：“這是線粒體優先方案面臨的最大障礙之一。”
第二個選項，有時稱為慢滴或線粒體後期理論，假定原始真核生物在獲得線粒體時已經開始發展複雜的特徵——特別是吞噬獵物的能力。根據這一理論，最古老的真核生物應該缺少線粒體。
證據曾經似乎指向這個選項。例如，許多寄生蟲，例如賈第鞭毛蟲，缺少線粒體。科學家最初認為這些寄生蟲從未擁有過這種細胞器。但是在最近幾年，很明顯這些生物只是在進化過程中失去了線粒體。
洛基的發現為這兩組人之間開闢了一種中間地帶。這是一個相對簡單的細胞，可能具有吞噬細菌的機制，這是產生線粒體的第一步。洛基擁有許多通常在真核生物中發現的基因，包括與動態、可變形的細胞骨架相關的基因。在真核生物中，這些基因使細胞膜能夠改變形狀。例如，變形蟲透過改變形狀來移動和吞噬獵物。“這是一個非常真核生物特有的過程，而且我們第一次在古菌中發現了它們，”埃特瑪說。“這非常令人興奮。”
庫寧說：“具有這些特徵（例如細胞骨架）的古菌無疑使[線粒體早期]方案比以前更受歡迎。”
未見之物
洛基的發現有一個主要警告：到目前為止，還沒有人見過它。科學家們還無法在實驗室中培養它們。他們所能做的就是分離它們的 DNA 並嘗試推斷它的作用。“我們必須清楚，我們不知道它是什麼樣子的，”阿奇博爾德說。“它們的生物學是從基因組資料中拼接出來的。”
在微生物學的世界中，這並不罕見。絕大多數微生物都無法按需培養，因此科學家透過分析和比較它們的 DNA 來研究它們。“這就是我們在微生物學中所做的事情，我們根據基因組做出預測，”施萊珀說。“[洛基]的膜中肯定有一些非常特別的東西。”
那種特殊東西的確切性質仍然不清楚。阿奇博爾德和其他人警告說，儘管洛基擁有在其他生物中參與膜重塑的基因，但沒有人確定它們在洛基中執行相同的功能。也許它們在這些簡單的生物中做一些不同的事情，而膜重塑是在以後進化的。
萊恩並不相信洛基可以吞噬其他微生物——他說，如果沒有線粒體，它根本就沒有能力。“變得龐大、四處移動、吞噬和消化細胞需要花費大量能量，”萊恩說。他說，在現代細胞中，這個過程涉及 1000 個基因，所有這些基因都需要花費大量能量才能產生。
施萊珀（Schleper）和埃特瑪（Ettema）正在努力嘗試在實驗室中培養洛基（Loki），但事實證明培養它極其困難。最初的樣本是從深海挖掘出來的，那裡氧氣稀少，生物的新陳代謝非常緩慢。一些估計預測，生活在那裡的生物每10年才分裂一次。此外，這些棲息在沉積物中的洛基已經適應了海底的極端環境，因此將它們帶到水面很可能意味著死亡。埃特瑪說，為了讓它們存活下來，“你必須非常小心和幸運”。
幸運的是，研究人員發現洛基也棲息在不那麼陌生的環境中，他們預計從這些來源獲得的樣本會更容易培養。自從他們最初的發現以來，施萊珀和埃特瑪發現洛基比任何人預期的都要普遍。他們後來在許多環境中發現了新的變種：溫泉、淺海沉積物、河流，甚至永久凍土。“這就像一個復活節彩蛋，”埃特瑪說。“我們不知道會發現什麼，但每個新的基因組都有一些東西在裡面。”
尋找洛基樣本的部分挑戰在於它們往往數量很少，在當地微生物生態系統中屬於罕見的。這或許可以解釋為什麼它們長期以來一直未被發現。此外，施萊珀說，用於調查微生物多樣性的方法通常不適合檢測古菌。
埃特瑪樂觀地認為他們會弄清楚如何在實驗室中培養洛基。但他警告說，觀察活的洛基可能無法解決關於其祖先能力的問題。現在的洛基可能與產生真核生物的古代版本非常不同。即使現代洛基可以吞噬細菌，也不能證明古代的洛基也這樣做。它已經進化了20億年——這段時間足以見證人類從單細胞生物的出現。“人們有點誇大了我們從培養它中會了解到的東西，”埃特瑪說。
即使洛基不能解開我們古老起源的謎團，它的發現也顯示了仍有多少生物多樣性有待發掘。也許下一個發現將是一個沒有線粒體歷史的真核生物。或者，也許它會是一個體記憶體在共生細菌的古菌。“這強調了透過對無法在實驗室中培養的生物的基因組進行測序，我們可以發現多少新奇之處，”庫寧（Koonin）說。“很有可能會發現更多，這些發現可能對我們理解生物學至關重要。”
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