在蟬的一個(gè)特殊器官中，一種內(nèi)共生細(xì)菌分化成兩個(gè)種類，而它們又被第三個(gè)共生體包圍。

約20億年前，原始細(xì)胞開始“接納”寄居生物，生命由此朝著有利的方向發(fā)展。一種曾獨(dú)立生存的細(xì)菌“定居”在細(xì)胞中，并由此形成被稱為線粒體的細(xì)胞器。線粒體通過氧化糖分為其宿主細(xì)胞產(chǎn)生能量，同時(shí)使一些早期生命在地球氧氣濃度日益增加的環(huán)境中生存下來。另一種細(xì)胞內(nèi)的寄居細(xì)菌則成為葉綠體的祖先。葉綠體是一種進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器，它的出現(xiàn)使植物和藻類的產(chǎn)生成為可能。

研究人員逐漸認(rèn)識到，這些具有里程碑意義的事件并非當(dāng)時(shí)*。作為一種存在于有機(jī)體和寄居生物間的互惠關(guān)系，胞內(nèi)共生在當(dāng)今依然盛行，并且為人們了解該過程在生命早期歷史中以何種方式發(fā)揮作用提供借鑒。

在日前由美國國家科學(xué)院和加拿大高等研究院舉行的研討會上，與會生物學(xué)家表示，他們正在研究諸如蟬等昆蟲和其他多細(xì)胞生物體如何在自己的細(xì)胞內(nèi)同細(xì)菌建立起合作關(guān)系。這些細(xì)菌就像它們已變成細(xì)胞器的古代一樣，幫助宿主細(xì)胞提供必需的營養(yǎng)和其他服務(wù)。在這個(gè)過程中，研究人員了解了宿主細(xì)胞同其細(xì)菌搭檔之間的復(fù)雜交易，從而有助于解釋現(xiàn)在的線粒體和葉綠體所具有的一些特征。

盡管DNA研究已讓生物學(xué)家確信線粒體僅僅經(jīng)歷了一次進(jìn)化，即從一種被稱為變形菌綱的細(xì)菌演變成線粒體，但這些細(xì)胞器自那時(shí)起不斷地走向多元化。這種細(xì)菌的現(xiàn)代非寄生“親戚”擁有幾百萬個(gè)堿基對和2000個(gè)基因，但其所有線粒體后代擁有的基因都非常少，有的只有3個(gè)。同時(shí)，基因組的大小和形狀也各不一樣。zui小的線粒體基因組只有6000個(gè)堿基對，而人類線粒體DNA有16000個(gè)堿基對。一些植物更是極大地?cái)U(kuò)展了自身線粒體的基因組，甚至擁有一些明顯無關(guān)緊要的DNA。目前已知的zui大基因組有1100萬個(gè)堿基對，來自一種蠅子草屬開花植物。同時(shí)，該基因組被分成很多環(huán)狀染色體，而有些染色體根本不含基因。“線粒體已成為非常規(guī)基因組無止境的‘蓄水池’。”加拿大西安大略大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家David Smith表示，它們打破了所有的規(guī)則。

不過，美國蒙大拿大學(xué)生物學(xué)家John McCutcheon借鑒自己對蟬的研究介紹說，很多現(xiàn)代內(nèi)共生體也打破了同樣的規(guī)則。作為刺吸式口器昆蟲，蟬從寄居在其特殊細(xì)胞中的細(xì)菌搭檔那兒獲取進(jìn)食中失去的氨基酸。例如，一種被稱為Diceroprocta semicincta的蟬擁有兩個(gè)這樣的搭檔：一個(gè)叫作Hodgkinia，為蟬提供兩種氨基酸；另一個(gè)叫作Sulcia，為其提供另外8種氨基酸。而在另一種蟬的體內(nèi)，Hodgkinia將自己的DNA翻倍，并分成兩個(gè)不同的基因組。提供兩種氨基酸的任務(wù)也據(jù)此進(jìn)行了分配：一個(gè)提供一些基因，另一個(gè)填補(bǔ)氨基酸生產(chǎn)的空白，從而使兩個(gè)“物種”對內(nèi)共生都至關(guān)重要。McCutcheon 和同事在8月的《細(xì)胞》雜志上報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)，并在此次會議上作了介紹。

與此同時(shí)，科學(xué)家研究了與葉綠體復(fù)雜進(jìn)化類似的現(xiàn)代過程。葉綠體的進(jìn)化曾出現(xiàn)過一次，隨后消失，但又在各種現(xiàn)代光合生物中以不同的方式重新獲得。進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器起初是一種被真核細(xì)胞吞食的藻青菌。長久以來，植物生物學(xué)家認(rèn)為這種原始的葉綠體已經(jīng)消失。但當(dāng)宿主細(xì)胞吞食一種自己擁有葉綠體的藻類后，新的葉綠體又出現(xiàn)了。

會上，英屬哥倫比亞大學(xué)原生生物學(xué)家Patrick Keeling對該過程的一個(gè)更現(xiàn)代版本——三重內(nèi)共生作了介紹。作為單細(xì)胞水生原生生物，一些鞭毛藻類不再擁有zui初的葉綠體，自身的一些感光器官也變成了被稱為眼點(diǎn)的細(xì)胞組分。不過，它們通過攝入一種擁有自己光合作用體的單細(xì)胞硅藻彌補(bǔ)失去的功能。這樣，雙鞭藻依舊攜帶著硅藻的細(xì)胞核和線粒體。

加拿大戴爾豪斯大學(xué)退休榮譽(yù)教授、分子進(jìn)化生物學(xué)家W. Ford Doolittle表示，所有這些研究成果“讓細(xì)胞器變得不是那么特別”，使內(nèi)共生作為細(xì)胞器進(jìn)化的理想模型成為“該領(lǐng)域中一個(gè)有趣的范式轉(zhuǎn)變”。