首次發現不需要氧氣的動物！挑戰人類對進化論和生命的認識

2023-04-02 01:58:13 3

氧是地球上大多數動植物(包括人類)細胞呼吸所必需的物質，那些呼吸不依賴氧的細胞稱為厭氧生物。然而，目前發現的厭氧生物主要是厭氧菌，幾乎都是單細胞生物。2010年，研究人員在沉積在地中海底部的汙泥中發現了「厭氧多細胞生物」，這在當時引起了軒然大波。

最近，出現了比「厭氧多細胞生物」更先進的厭氧生物。

以色列特拉維夫大學動物學家達雅娜·亞哈羅米的研究小組首次證實，鮭魚肌肉組織中常見的一種寄生蟲——鮭尾孢菌具有完全獨立於氧氣的特殊特性，細胞中沒有線粒體，甚至根本沒有線粒體DNA寄生蟲是目前地球上已知的所有厭氧生物中最複雜、最先進的。據說，成為第一個被發現的「厭氧動物」沒有錯。該結果發表在2020年2月24日的《美國國家科學院院刊》(PNAS)上那麼，什麼是細胞呼吸？它和我們肺部的呼吸有什麼聯繫和區別？原核細胞和真核細胞的呼吸有什麼不同？鮭魚棲息在尾孢菌中的魔力是什麼，它和迄今為止發現的厭氧生物有什麼不同？研究厭氧生物呼吸的意義和價值是什麼？讀完這篇文章，你自然會得到這些問題的答案。

在螢光顯微鏡下，鮭魚尾孢菌發出綠色光。來源:史蒂芬·道格拉斯·阿特金森

什麼是細胞呼吸？真核細胞和原核細胞的呼吸有什麼區別？

我們通常所說的呼吸是指肺部通過胸部和腹部肌肉和骨骼的協同作用吸入氧氣和呼出二氧化碳的過程。本質上，這與人體細胞內的呼吸作用完全不同。為了說明這種區別，在討論細胞呼吸作用時，我們通常把肺部的氣體交換過程稱為呼吸運動所有關於呼吸的討論(包括有氧呼吸、無氧呼吸等。)在本文中是細胞內呼吸，不涉及呼吸運動。

呼吸，也稱為細胞呼吸，是生物體細胞氧化分解有機物質並轉換能量的化學過程，本質上是由酶催化的氧化反應完成細胞生命活動所需的能量來自呼吸。儘管它被稱為氧化反應，但無論是否有氧氣參與，它都可以被稱為呼吸(這是因為在化學中，帶有電子轉移的反應過程可以被稱為氧化)涉及氧氣時的呼吸功能稱為有氧呼吸。無氧反應稱為無氧呼吸。換句話說，厭氧生物細胞不需要氧氣來參與獲取能量的過程。

有氧呼吸中的物質和能量流動過程來源於細胞呼吸。瑞吉斯·弗雷

。儘管組成地球生物的細胞非常不同，但除了病毒之外沒有完整細胞結構的物種根據其細胞的複雜性被分為原核細胞和真核細胞。原核細胞結構相對簡單，由它們形成的生物體稱為原核生物，細菌是典型的原核生物。絕大多數原核生物都是單細胞生物。它們體積小，沒有負責呼吸的透明細胞器，但它們仍然可以通過呼吸為自己提供能量。

真核細胞的結構比原核細胞複雜得多，不僅有各種膜結構形成的內膜系統，而且分化出各種分工不同的細胞器，體積可達原核細胞的1萬倍幾乎所有的多細胞生物，包括普通的植物和動物，都是由真核細胞組成的真核生物。線粒體是真核細胞中與呼吸最相關的細胞器，在真核細胞中進行呼吸的幾個關鍵步驟。如果我們把真核細胞比作汽車，那麼線粒體的作用就是引擎。發動機驅動汽車的過程是細胞呼吸並為自己提供能量的過程。然而，根據發動機的類型，要添加的燃料(無論是否添加氧氣)也是不同的，這被稱為有氧呼吸和無氧呼吸。比較

真核細胞和原核細胞，來源:

公共領域的多細胞厭氧動物-意外的大發現

鮭魚尾孢是常見的海洋寄生蟲，發現於大西洋鮭魚、粉紅鮭魚、鱒魚和其他魚類早在19世紀末，人類就已經觀察到了這種寄生蟲。雖然它是真核生物，但它的身體組成非常簡單，只有不到10個細胞當鮭魚被它感染時，通常可以在肌肉表面看到乳白色斑點。人們發現，儘管受寄生蟲影響的魚外表看起來並不好看，但它在進食後對身體沒有任何傷害，因此沒有對它給予特別關注。

寄生在鮭魚體內的鮭魚球蟲形成的白斑(囊腫)中布滿了微小的蠕蟲。來源:米歇爾·馬歐阿斯

然而，最近，以色列特拉維夫大學的動物學家達雅娜·亞哈羅米的研究小組發現了一個驚人的秘密——鮭魚球蟲不含線粒體DNA(有些DNA位於線粒體中，與細胞核中的DNA不同)！

這到底是什麼意思？

如前所述，線粒體是真核細胞呼吸的重要細胞器以色列科學家感興趣的第一個問題是，寄生蟲生活的環境明顯缺乏陽光。他們是怎麼呼吸的？

顯然，回答這個問題最直接的方法是研究它們的線粒體。

，但是當他們試圖分析鮭魚尾孢菌的線粒體DNA以揭示寄生蟲如何在鮭魚肌肉缺氧的情況下呼吸時，他們發現了非常不尋常的情況。儘管在寄生蟲中發現了類似線粒體的器官，但線粒體的DNA並不能一直提取，這讓被困的研究小組更加困惑。通過比較具有相似進化關係的物種的基因序列，發現

沒有線粒體DNA。此外，更詳細的研究表明，它甚至缺乏與線粒體DNA轉錄和複製相關的基因，而這些基因應該存在於普通生物體中。

目前，科學家們還沒有完全了解尾孢屬中鮭魚的生活方式，但是真核生物沒有線粒體就不能進行有氧呼吸。研究人員認為，通過從宿主鮭魚體內竊取三磷酸腺苷(ATP)並將其作為自己的能量來源，它們可能能夠存活。三磷酸腺苷，也稱為「生物能」，是細胞在呼吸過程中產生的能量載體，在生物體內物質的代謝和合成中起著重要作用。

該研究小組在論文中指出:「我們的研究表明，不僅單細胞真核生物，而且一些多細胞生物和寄生蟲也在朝著適應厭氧環境的方向進化。但是這種演變的原理和動機目前還不清楚。

厭氧菌和需氧菌，其來源是:DifferenceBetween.co

真核生物非常罕見，但厭氧菌並不罕見。至於厭氧菌，目前還沒有明確的定義。一般來說，這種細菌在厭氧條件下比在有氧環境下生長得更好，並且不能在含有空氣(21%氧氣)和/或10%二氧化碳濃度的固體培養基表面生長。它們缺乏一個完整的代謝酶系統，它們的能量代謝是通過無氧呼吸進行的。根據其對氧的耐受性，可分為專性厭氧菌、微需氧厭氧菌和兼性厭氧菌。

細菌好氧/厭氧模式示意圖，來源:хоооостоооо。со。

人體正常菌群也含有大量厭氧菌，廣泛分布於人體皮膚和腸道的深層黏膜表面。在正常情況下，人類環境不適合厭氧菌的生長，因此它們不能大量繁殖。然而，當組織缺血、壞死或需氧細菌感染導致局部組織氧濃度降低時，可能會發生厭氧菌感染。可引起破傷風的病原體:破傷風梭菌是厭氧菌的典型例子

近年來，新發現的厭氧菌不斷被報導根據不同的生活環境，這些細菌以多種方式呼吸，這可以稱為進化的極端意義。鐵離子、錳離子、硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、富馬酸鹽、二甲基亞碸等可以取代氧的作用，成為獲取能量過程中的反應物

厭氧生物的起源一直有不同的看法。據說厭氧生物起源於古代，新生的地球上沒有氧氣，這是一個適合厭氧生物生存的時代。然而，幾十億年後的今天，空氣中的氧氣濃度已經達到了21%關於古代厭氧生物如何進化和適應現在的有氧環境，仍然有許多未解之謎。

挑戰眾所周知的動物進化理論

需要生存。寄生蟲實踐「極簡主義」，並傾向於慢慢丟棄不重要的器官，如觸覺器官、運動器官、消化器官等。然而，我們現在最初看到的寄生蟲到底是什麼？

最近引起了鮭魚球蟲的注意，更堅定地貫徹了極簡主義原則，不僅觸覺器官、運動器官、消化器官不再存在，甚至神經系統也消失了由於沒有各種器官，它的細胞數只有一位數。研究人員認為，鮭魚尾孢菌可能正在從多細胞生物進化到單細胞生物的過程中，這與眾所周知的動物進化理論背道而馳。

可以說寄生蟲的「極簡主義」是「逆向進化」的真實版本

重新解釋了生命存在的方式，從而影響了探索外星生命的方向。

對鮭尾蚴的新發現還有什麼其他研究意義？

首先，這一發現動搖了我們對地球上生命存在方式的固有理解。人們普遍認為，大約14.5億年前，生物開始進化出代謝氧氣的能力——有氧呼吸。科學家們已經想像出了這樣的情況相對較大的古細菌將較小的古細菌吸收到身體中，並以某種方式創造了對雙方都有利的共生關係，最終它們融合成一個身體。從這種共生關係開始，兩個物種一起進化，較小的古菌最終成為稱為線粒體的細胞器

甚至在我們的身體裡，線粒體，細胞呼吸所必需的，存在於除紅細胞之外的所有細胞中。線粒體分解氧氣產生三磷酸腺苷，然後被多細胞生物用於各種細胞代謝過程。具體地說，當三磷酸腺苷水解時，形成二磷酸腺苷(ADP)，釋放磷酸根，同時釋放能量。這些能量將在細胞中被利用，生物體中的所有活動，如肌肉收縮產生的運動和神經細胞的活動，都將利用三磷酸腺苷水解過程中產生的能量。

生物體不斷經歷適應性進化，以便在低氧條件下獲得更多生存機會。如前所述，通常有一些單細胞原核生物進化類似線粒體的細胞器並進行厭氧代謝的例子然而，不使用氧氣進行新陳代謝的多細胞生物的存在一直存在爭議。很長一段時間以來，受動物必須依靠氧氣生存的思想的限制，很少有人考慮過在沒有氧氣或氧氣濃度低的星球上發現複雜生物的可能性。這一發現不僅填補了地球上動物研究的空白，也打破了人類探索外星生命的固化模式。

不管怎樣，鮭魚尾孢菌是不是來自古代，它根本不需要氧氣？還是它是連續「反向進化」的結果？這仍然是一個有待解決的謎，我們期待著儘快找到答案。