古细菌

今年的Science十大科学突破之首是首幅黑洞图像，除此之外，今年的十大科学突破中生物类的包括：丹尼索瓦人的新发现，终于有了治疗埃博拉病毒的药物，一种改变著名“三域学说”全新的古细菌，第一次有了可以治疗大多数囊性纤维化病例的药物，以及与营养不良作斗争的肠道微生物。

一种全新的古细菌填补空白

地球上，最早的原核细胞祖先大约出现在30亿年前，而它们经过10亿年的演化之后，才出现了最早的真核细胞祖先，而人类也是由这些真核细胞逐渐演化才产生的。

真核生物是包括人类，其他动物，植物和许多单细胞生物的群体。与原核细胞相比，真核细胞具有多种典型的细胞器和由核膜包括的细胞核，真核细胞更复杂，并且与原核细胞已经出现了隔离，因此想要了解真核细胞的演化过程就更加困难。

20世纪70年代，美国伊利诺伊大学微生物系的教授Carl Woese发现了一种外形上与大肠杆菌相似、能产生甲烷的微生物。这种微生物的核糖体RNA与大肠杆菌等大多数细菌具有明显的差异，而与生活在高盐、温泉或火山口环境中的微生物具有更近的亲缘关系。这一发现公布在PNAS杂志上。由此Woese提出了划时代的“三域学说”，其中三种域包括，细菌、古生菌和真核生物。

然而2010年，科学家在对北冰洋海底采集的沉积物岩心进行DNA分析时，他们发现了一些令人惊讶的东西。一种以前未知的属于古细菌（Archaea）的微生物，而它的基因组特征似乎与真核生物（Eukaryota）有关。

不过当时由于发现太惊人，一些科学家质疑：样品是否被岩心的其他东西所污染了？

但来自横须贺日本海洋地球科学与技术局的微生物学家Hiroyuki Imachi和Ken Takai等人没有放弃，他们在含有各种营养素和其他物质的玻璃管中培养含有微生物的泥浆的小样本。一年后，他们在其中一个试管中检测到微生物，其中还含有四种抗生素以杀死任何污染细菌。

来自试管的样品的DNA分析表明它包括Asgard archaeon，它们希望生长的微生物。在不到一个小时的时间内，这种微生物的数量大约需要20天才能使双细菌数量增加一倍，但最终，他们获得了足够的有机体来研究它。

日本研究人员用希腊神普罗米修斯(Prometheus)用泥浆制造人类这一故事将这种微生物命名为Prometheoarchaeum syntrophicum。

在培养的早期，Imachi观察到样品中含有丰富的硫酸盐还原菌。只有当这种菌被抗生素杀死后，古生菌和产甲烷菌才会逐渐富集，并且这两者表现出一种共生关系。Prometheoarchaeum会首先分解食物中的氨基酸，释放出氢气，但氢气的积累可能会导致降低Prometheoarchaeum的生长速度。而共生菌能消耗氢气，促进它的生长和繁殖。这些复杂的协作关系，也正是导致这种古生菌难以在实验室培养的一个原因。

研究人员对所有微生物的DNA进行了测序，证实它确实含有一些看起来像真核生物中发现的基因，就好像Prometheoarchaeum已经准备好成为真核生物一样。

在培养出微生物后，研究人员使用电子显微镜对其进行成像，揭示了多个分支的附属物。研究人员假设，在很久以前，一个古细菌围绕着原始线粒体形成了新的微生物。研究人员提出，随着地球早期氧浓度的增加，像Prometheoarchaeum这样的古细菌吸收了吸氧伴侣，比其他微生物长得更好。

最终，研究人员得出了一些结论，比如Prometheoarchaeum只有在一种或两种微生物存在的情况下才会生长，这两种微生物分别是古甲烷菌和氟脱硫弧菌。当Prometheoarchaeum将氨基酸分解成食物时，它会产生氢，而其他微生物则以氢为食。

还有这种细菌可以产生类似于“触角”的附属物。基于包括“触觉”在内的这些观测、基因组中包含的代谢信息以及当时的地球演化环境，Imachi提出了真核细胞演化的缠绕-包裹-奴役（Entangle-Engulf-Enslave）的E3模型。