5月7日，华东师范大学

以第一完成单位

在《自然》发表最新研究成果

这一发现表明真核细胞的起源时间

约为27.2亿年前

目前，关于地球生命存在的形态，主要有两种主流观点：“三域学说”，即细菌、古菌和真核生物；“二域学说”，即细菌、古菌与真核生物。然而，近期的研究发现表明，真核生物或许源自古菌中的“阿斯加德古菌”，这一新发现为“二域说”提供了支持。尽管如此，关于真核生物究竟源自阿斯加德古菌的哪个分支，学术界至今仍存在分歧。

5月7日，华东师范大学河口海岸全国重点实验室的董宏坡研究员及其同事侯立军研究员，携手深圳大学的研究团队，在权威国际期刊《自然》上发布了他们的最新发现。这一发现对先前关于真核生物的祖先可能源自阿斯加德古菌海姆达尔纲（heimdallarchaeia）内部，并作为霍德尔目（hodarchaeales）的姐妹群的假设提出了挑战。

该研究精确指出了真核生物的起源点，位于海姆达尔纲的近亲分支，这一突破性成果揭示了真核细胞可能诞生于约27.2亿年前，这一时间点早于地球上的大氧气事件，这一发现对于揭示真核细胞形成的过程具有重要意义，提供了宝贵的线索。

张家伟，华东师范大学2021级海洋生物学专业的博士生，担任了该论文的唯一第一作者。他的指导教师，董宏坡研究员，则担任了论文的第一通讯作者。此外，华东师范大学的侯立军研究员也是共同通讯作者之一。论文的共同作者还包括华东师范大学的刘敏教授以及深圳大学李猛教授的研究团队。而华东师范大学河口海岸全国重点实验室则是该论文的第一完成单位。该研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

研究团队选取我国红树林湿地及河口盐沼湿地作为“天然实验室”，经过6年的不懈努力，成功采集了大量沉积物样本。他们运用计算生物学的研究手段，揭示了真核生物的祖先在古菌分化为海姆达尔纲（heimdallarchaeia）之前，就已经形成了。

生命起源之争

定位真核生物祖先在古菌内部的分化节点

近期的研究，包括系统发育分析和基因组功能蛋白研究，表明真核生物的核基因组可能源自阿斯加德古菌。然而，随着阿斯加德古菌种类的增多，确定真核生物祖先在阿斯加德古菌门中的具体分化位置变得极为关键。这一发现不仅关系到真核生物细胞在地球上的首次出现时间，还涉及到当时古菌祖先的生活习性。

2023年，《自然》杂志刊登了瑞典科研人员的研究成果，他们把真核生物在系统发育树上安置于阿斯加德古菌的海姆达尔纲之中，并且指出其与霍德尔目形成了近亲关系。然而，这一结论因为仅基于未获广泛认可的核糖体非标志蛋白基因库而引发了广泛的争议。

为此，华东师范大学的研究团队成功融合了223个精心组装的阿斯加德古菌基因组，并与ncbi数据库中已有的基因组信息相结合，最终构建了一个庞大的数据集，其中包含了411个阿斯加德古菌的基因组。依据最新收集的数据，研究小组重新挑选了多组标志性蛋白质，并运用系统基因组学技术，将真核生物准确归类于阿斯加德古菌海姆达尔纲之外，确定其与海姆达尔纲构成姐妹关系（见图1）。

图1中展示的通过串联67个标志蛋白构建的最大似然树，揭示了真核生物（eukarya）与海姆达尔纲之间存在着密切的亲缘关系，它们彼此构成了一对姐妹群系。

因何混淆定位？

涅尔德古菌含有“嵌合体”

涅尔德古菌含有较多的类似真核蛋白的成分，因此被归类于阿斯加德古菌门。然而，系统发育的研究揭示，该古菌在古菌界的进化位置并不稳固。在采用传统的核糖体标志蛋白进行分类时，该古菌被划入tack超门，与初古菌形成近亲关系；但若改用57个非核糖体蛋白进行分析，它则被归入阿斯加德古菌门。尤为关键的是，在构建真核生物的基因组发育进化树过程中，这种古菌在树中的位置变动会对真核生物的进化定位产生显著影响。

研究团队迅速洞察到，涅尔德古菌目在揭示真核生物在古菌进化过程中的地位上扮演着至关重要的角色。

针对这一难题，研究团队突破常规思维，运用逆向思考方法，成功探明了核心解决路径——他们通过实施短读长序列回贴、基因组覆盖度检测、序列重叠群聚类以及分类谱分析等手段，揭示了涅尔德古菌基因组中不仅含有阿斯加德古菌的序列成分，还同时存在其姐妹超门tack古菌的序列片段（见图2）。在涅尔德古菌的基因组序列中，约有24%至60%的连续片段属于tack古菌，而这一比例在阿斯加德古菌中则仅为3%至35%。

研究团队推测，若标志蛋白在阿斯加德古菌序列中的分布更为广泛，涅尔德古菌将归属于阿斯加德古菌门；若分布较少，则可能被归类至tack古菌超门。此外，涅尔德古菌所拥有的嵌合体结构，可能是先前研究者将真核生物归入阿斯加德古菌海姆达尔纲的原因所在。

图2中的序列重叠群（contigs）分类以及基因组覆盖度分析结果表明，涅尔德古菌中存在嵌合体结构。

探寻共同祖先

还原生命起源场景

在明确真核生物在阿斯加德古菌中的具体位置后，研究团队借助分子定年技术和对祖先代谢途径的重建，推测出阿斯加德古菌与真核生物的最近共同祖先（简称laeca）大约出现在27.2亿年前，这一时间点早于大氧化事件。据推测，这个共同祖先可能是一种以氢气作为电子供体的厌氧性乙酸产生古菌（如图3所示）。该祖先具备完备的古菌伍德-隆达尔代谢途径，这为其依赖氢气进行化学能自养生长创造了条件。而且，其基因组还含有不完整的有氧呼吸链末端氧化酶，这些酶可能是通过基因水平转移从兼性好氧的共生微生物那里获得的，并在低氧环境中发挥解毒作用。尤其是，Laeca内含有多种对氧气极为敏感的酶，这些酶参与了细胞的关键代谢过程，因此，它们很可能起源于太古宙那个缺氧的深海环境，并在此环境中开始了厌氧生长的过程。

根据上述诸多证据的综合分析，本项研究证实了真核生物的氢气起源理论，这一理论认为真核生物是由一个依赖氢气的古老细菌宿主与一个产氢细菌相结合而形成的。

图3 关键阿斯加德古菌祖先的代谢功能重建

六年磨一剑

在泥潭中寻找生命起源密码

古菌在常见环境中数量稀少，分布亦极不均匀，因此探寻新的古菌群体极具挑战。我国的研究团队在红树林保护区和河口盐沼湿地进行了广泛的宏基因组测序，成功拼接出了众多全新的古菌群体。这一研究成果是在过去6年对阿斯加德古菌基因组深入研究的基础上取得的。

科研团队在我国红树林湿地采集沉积物

为了采集重要样本，我们团队曾在夜幕低垂时勇敢地踏入红树林，面对蚊虫的侵扰和泥泞的地势，我们艰难地进行采样。张家伟回忆说：“在采样过程中，我们不止一次迷失方向，全身沾满了泥土，然而每当想到这些看似平凡的淤泥中可能蕴含着生命起源的奥秘，所有的辛苦和困难都变得微不足道。”

董宏坡研究员在2018年年末加入了华东师范大学河口海岸全国重点实验室，着手进行滨海湿地中古菌生物多样性的研究，并深入探讨其环境适应的机理。董宏坡指出，进化树的构建依赖于最大似然法（ml）与贝叶斯推断法的双重验证。然而，贝叶斯推断法在计算上需求极高。在此背景下，河口海岸全国重点实验室的大型计算集群起到了关键作用，它为研究的迅速推进提供了坚实的硬件支撑。

华东师范大学河口海岸全国重点实验室，作为我国海洋战略科技力量的重要组成部分，其使命在于定位并专注于应用基础研究。该实验室的根本任务是服务于我国海洋强国的建设以及生态文明的构建。它紧密契合国家海岸带健康领域的重大战略需求，并与联合国可持续发展目标紧密对接。该实验室致力于打造一个在全球范围内具有引领地位的河口海岸科学研究平台和人才培养基地。

实验室专注于“人地海复合系统演变规律”、“生态保护与资源综合利用”以及“数字孪生与智能决策”三大研究领域。在学科体系创新方面，坚持交叉融合的理念，打破了传统学科的界限，将海洋科学、环境生态、地理信息、人工智能等多个学科的优势资源和前沿技术有机融合，创新性地设立了多学科交叉研究团队，并构建了一个开放共享的协同创新网络，旨在为解决河口海岸领域的重大复杂科技问题提供全面的解决方案。

了解真核细胞形成的过程对于揭示生命发展的规律、生物种类的多样性、疾病发生的原理以及对外星生命的探索都有着极其重要的意义。研究团队指出，他们接下来的目标是希望从沿海湿地的资源库中挖掘出更多的海姆达尔纲古菌的基因组信息，并且对这些古菌进行富集和纯化，进而对其生态作用和生理代谢特性进行深入研究。

论文链接：

来源｜河口海岸全国重点实验室 科技处

摄影丨吕安琪

通联丨王群 江红