讓一群盲人觸控大象，一個人可能會說它的尾巴是蛇，而另一個人可能會稱它的象牙為矛。你身體裡的每個細胞都有點像那頭大象。如果你問一群科學家關於細胞的問題——特別是，它是如何獲得細胞核的——你會得到各種各樣的答案，這取決於他們指的是細胞的哪個部分。
過去二十年裡，一個廣受歡迎的觀點源於俄羅斯植物學家康斯坦丁·梅列什科夫斯基。他最早在 1905 年試探性地提出，今天覆雜細胞的細胞核曾經自由漫遊，但被較大的細胞吸收，因為每個細胞都有東西可以提供給對方。最終它們變得相互依賴，它們的命運交織在一起。用生物學行話來說，他提出細胞核最初是作為內共生體開始其生涯的。
但是，那些研究生命黎明的人們對於這個情景的細節仍然存在強烈分歧，因此，細胞核是如何產生的這個問題似乎遠未得到解答。“這是最大的、最大的未解之謎之一：細胞核來自哪裡？”杜塞爾多夫海因裡希-海涅大學植物學系主任比爾·馬丁說。
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找到答案將填補真核生物（字面意思是具有“真核”的細胞）歷史上的一個主要空白，真核生物在二十億年的時間裡，已經用從單細胞變形蟲和浮游生物到松樹、科學家，當然還有大象的一切生物佈滿了世界。
核分裂
雖然真核生物因其細胞核（基因組所在地）而得名，但它們與無核原核生物——普通的細菌和更奇特的古細菌（它們傾向於生活在極端環境中）——在其他方面有所不同。首先，它們擁有一套複雜的內部纖維，像挑棍一樣排列，賦予它們形狀並允許它們吞噬食物。原核生物擁有構成這種細胞骨架的蛋白質的版本，但沒有形成如此精細的東西。
其次，真核生物包含各種細胞器，即透過膜與細胞其餘部分分隔開的內部區室。例如，線粒體等細胞器產生燃料；在植物細胞中，葉綠體製造糖類以分解成燃料。事實證明，它們過去也是內共生體。儘管最初提出時這是一個有爭議的想法，但分子比較使這一論點成立：兩種細胞器都具有基因組，這些基因組保留了與今天仍然存在的兩種不同型別細菌的相似性。
細胞核也與這些細胞器有一些表面上的相似之處：一個雙層膜包圍著它們；它們每個都有自己的基因組；並且它們都能夠繁殖。“當您基本上吞噬一個共生體時，很容易獲得[這些特徵]，”麻省理工學院研究生命起源的研究科學家海曼·哈特曼說。“[提出]細胞核具有內共生起源並不需要火箭科學家。”
隨後的分子資料僅透過揭示真核生物基因組是混合品種而煽起了這些推測性的火焰。遺傳序列表明，真核生物用於構建和操縱 DNA、RNA 和蛋白質的基因似乎來自古細菌，而用於代謝和其他細胞功能的基因可能來自細菌。“問題的核心是，真核生物的邏輯與原核細胞的邏輯非常不同，但原核生物對真核生物有巨大的輸入，”哈特曼說。
模型的選擇
哈特曼在 1984 年提出，當一個假設的細胞（將其遺傳資訊儲存為 RNA 而不是 DNA，並擁有簡單的細胞骨架）成為古細菌生物的宿主時，細胞核就產生了。他說，這個理論可以解釋為什麼 RNA 在真核生物中執行如此豐富的任務——其中包括構建蛋白質、剪下掉其他即將成為蛋白質的 RNA 中不需要的部分以及開啟和關閉基因。“當您深入研究 RNA 時，細菌細胞和真核細胞之間就無可比擬了，”哈特曼說。
核基因的混合將來自古細菌客人，後來來自線粒體，線粒體隨著時間的推移將其部分基因組放棄給了細胞核。哈特曼正在發表一項研究的結果，該研究發現 300 多個真核基因與原核生物中的任何事物幾乎沒有相似之處。他將這些基因解釋為年代細胞（他稱之為早期基於 RNA 的生命形式）的殘餘。
其他人則從不同的角度嘗試研究哪種組合可能孕育了細胞核。加拿大麥克馬斯特大學的生物化學家拉德海·古普塔提出，細菌和古細菌融合形成了第一個真核生物，這基於他對一對在可能是最古老的有核細胞之一——賈第鞭毛蟲——中發現的慢速變化基因的分析。這兩個基因都產生相同的基本蛋白質——其中一種最終與細胞核相關聯，另一種在細胞核外。前者更類似於其古細菌對應物，後者更類似於細菌版本。
因此，古普塔提出，細菌可能透過在其外膜中進化出深褶皺，逐漸吞噬了古細菌，這些褶皺最終閉合並取代了客人的膜。然後，這兩個基因組將融合為一個，完成轉變。他說，宿主獲得來自客人的抗生素抗性基因的願望可能推動了這一系列事件。加州大學洛杉磯分校的分子生物學家吉姆·萊克將古普塔的發現解釋為支援兩種生物之間更傳統的內共生。
進入這場狂野而投機性辯論的最新來者是菲利普·貝爾，他在澳大利亞麥考瑞大學研究酵母分子生物學。他提出，細胞核可能來自一種病毒，該病毒曾經感染古細菌細胞，但最終開始停留下來。與該領域的其他人一樣，萊克承認這些模型大多是推測性的，但他對內共生在長期內被證明是正確的機會持樂觀態度。“我的直覺是細胞核是內共生體，”他說，“而且我認為這就是我們將要發現的。”
難以吞嚥
然而，馬丁指出，任何內共生模型都有許多癥結所在。首先，雖然包圍細胞核的膜看起來與線粒體和葉綠體的膜相似，它們都具有兩層，但核膜是獨一無二的。它是一層自身摺疊的單層膜，其孔隙與細菌中的孔隙非常不同，並且當細胞分裂時它會崩解。其次，即使構建 DNA 和 RNA 的酶在細胞核中工作，但這並不意味著它們的基因必然從那裡開始。“許多作者給出的細胞核是內共生體的論點，只是沒有被我們對細胞核結構和功能的瞭解所證實，”紐西蘭梅西大學的安東尼·普爾總結道。
馬丁自己對細胞核誕生的思考源於進一步的考慮——即所有真核生物似乎都在其過去某個時候擁有線粒體。1998 年，他和洛克菲勒大學的同事米克洛什·穆勒根據甲烷生成古細菌和線粒體細菌祖先之間基於相互代謝的共生關係，提出了真核生物起源於此。他們稱這個想法為氫氣假說，因為細菌為古細菌提供了氫氣和二氧化碳，古細菌將其用作燃料並將其轉化為甲烷。隨著時間的推移，細菌變成了共生體，並將其許多代謝基因轉移給宿主。
馬丁推測，在某個時候，細菌給了古細菌一個膜合成基因，導致宿主細胞內膜起泡，類似於現代真核生物分裂時發生的情況，然後從內部生長的膜碎片中重新形成細胞核。作為佐證，他引用了其他人發現的產甲烷古細菌和真核生物共享相似的組蛋白，組蛋白是在細胞核中與 DNA 結合的蛋白質。“記住組蛋白！”他說。“那是一種將真核生物與產甲烷菌聯絡起來的蛋白質，我喜歡它。”
其他人認為，基於氫氣的共生可以直接解釋細胞核。兩位法國生物學家發表了一個模型，描述了相同的驅動力如何將古細菌產甲烷菌和兩種細菌變成被具有線粒體的細胞包圍的細胞核。萊克也準備發表一份報告，表明氫氣假說可能具有更普遍的解釋力。“很可能你可以應用它來產生細胞核，”他說。
新斯科舍省達爾豪西大學的生物化學家福特·杜利特爾說，這些模型都無法解釋真核生物和原核生物之間的所有差異。“我們真的可能不知道發生了什麼。看起來，無論發生什麼，它都可能非常複雜且不太明智。”那麼這些相互競爭的模型有什麼好處呢？正如杜利特爾所見，它們導致研究人員進行實驗並收集了許多他們原本不會擁有的資訊。“我們必須認識到，我們可能總是會犯錯，”他說。“仍然值得努力去找出答案。”