不知道大家有沒有想過，地球上複雜生命到底是如何進化的？
在以前，其實生物學家普遍認為，生命從簡單到複雜是理所當然，是必然發生的，但實際上，地球生命經曆了非常漫長的簡單生命階段——大約占了地球年齡的一半以上。
另一方面，現在地球上的簡單生命和複雜生命形式存在巨大的鴻溝，完全不存在“中間體”，這不像是一種循序漸進地從簡單到複雜的轉化。
如果生命從簡單到複雜是一個循序漸進的過程，那麼我們現在地球上依然會生活着許多那些跨越鴻溝的生命形式。
是以，地球生命從簡單到複雜應該是一次次質的飛躍造就的，從簡單到複雜，我們現在可以知道這次飛躍的本質就是生命找到了線粒體，它讓簡單的原核細胞變成了更複雜真核細胞，進而才有了複雜的生命體。
圖：線粒體示意圖
一旦細胞有了線粒體，它們就可以克服阻止細菌、古細菌等原核生物長大的基本障礙——一個關于能量使用的障礙。
細胞的通用能量貨币——ATP是在細胞膜上制造的，随着細胞變大，它的表面積與體積之比下降，進而可用的膜相對就減少。
換句話說，随着原核細胞變得越來越大，它們的能量需求很快就會超過供應，進而無法自我維持。
而具有線粒體的真核細胞可以通過添加更多線粒體來克服這個問題，而且非常容易做到，因為線粒體本身具有複制自己的能力。
現在地球所有複雜生命都來自一個共同祖先——一個獲得線粒體的原核細胞，因為它有了線粒體的加持，進化上可以随意自由發揮，它們可以積累更大、更複雜的基因組，進而讓複雜生命成為可能。
圖：現在的葉綠體和光合作用藍細菌結構基本一樣
地球生命曆史上還有一次質的飛躍，就是生命在大約10億年前獲得了葉綠體，真核細胞的這次改變為之後植物的誕生奠定了基礎。
關于地球生物如何獲得線粒體和葉綠體，有幾個不同的假說，但就目前來看，最被認可的是内共生假說。
該假說認為真核細胞通過吞噬那些擁有特殊能力的細菌，這些細菌在真核細胞的體内，與真核細胞互利互惠的共生。
但是随着時間推移，共生關系越來越緊密，以至于那些細菌完全轉化成了真核細胞的一部分——被稱為細胞器，執行細胞的特定功能。
除了線粒體和葉綠體之外，目前已知生物通過這種（真核生物吞噬細菌）方式得到細胞器的例子還有一個，被稱為色素體。
這個例子相對來說有點鮮為人知，但正是因為它的存在，才讓鱿魚和章魚等頭足類動物變色成為可能。
然而，無論是線粒體、葉綠體，還是色素體，它們都已經被判定為是細胞器，而不是單獨的細菌。
最近，分别發表在《細胞》和《科學》雜志上的兩篇開創性文章揭示了一種正在誕生的、由真核細胞吞噬原核細菌内共生産生的細胞器，這可能是地球生命史已知的第四次。
這個 細胞器現在被命名硝基體（nitroplast），他讓真核生物擁有固氮的能力——将大氣中的氮氣分子轉化成生命活動所需的含氮化合物。
在發現硝基體之前，真核生物被認為是沒有固氮能力的，是以我們的糧食作物要增産的話，施加氮肥是必不可少的。
你可能會說，大豆這種植物不就有固氮能力嗎？
圖：大豆的根部
它們其實并不是自己在固氮，而是通過與細菌共生實作的，你如果看過大豆的根，你就會知道，大豆的根部有一塊一塊的瘤狀組織，這就是與大豆共生的固氮細菌——根瘤菌造成的。
地球生命找到固氮方式比我們想象得要早得多——固氮細菌甚至可能比最早光合作用的細菌還要早出現，據信氮酶至少在22億到15億年前就已經出現了。
雖然細菌很早就學會固氮，但是真核生物從來沒有得到這種能力，在硝基體之前，生物學家認為所有固氮的真核生物都是因為共生。
在這兩篇文章釋出之前，科學家同樣也覺得“硝基體”隻是一種藻類内共生的細菌。
黑色标記的那個就是硝基體，圖源：Tyler Coale
硝基體來自什麼細菌？
1998年，加州大學聖克魯斯分校教授喬納森·澤爾 (Jonathan Zehr) 上司的團隊在太平洋中發現了一種具有固氮能力的藍細菌新物種。
該團隊将這個新的固氮藍細菌命名為UCYN-A，這個就是硝基體的前身了，或者“野生模式”了。
幾乎與發現UCYN-A差不多時間，日本高知大學的的古生物學家萩野恭子在實驗室中開始積極嘗試培養一種具有固氮能力的藻類——這個藻類被稱為raarudosphaera bigelowii，最後證明它是 UCYN-A 的宿主生物。
經過十多年的努力，萩野恭子成功在實驗室中培養出這種包含UCYN-A的藻類，這為之後研究兩者超凡的共生關系提供了幫助。
伴随宿主細胞分裂而分裂的硝基體，圖源：Valentina Loconte
憑什麼UCYN-A已是細胞器？
細胞器也是有定義的，它至少需要符合兩個标準：必須通過細胞分裂遺傳和依賴宿主細胞提供的蛋白質。
發表在《細胞》上的文章揭示，UCYN-A和它的宿主藻類細胞生長是同步的，并受到營養物質交換的控制，這個非常符合細胞器的标準。
發表在《科學》上的文章則揭示，UCYN-A從宿主藻類細胞那裡擷取蛋白質，這表明UCYN-A已經放棄了一些自有的細胞機制，轉而依賴宿主發揮作用。
這個就符合第二個标準，因為細菌開始丢棄自己的DNA，轉向依賴母細胞，就是細胞器發生的情況。
所有這些發現證明了UCYN-A在raarudosphaera bigelowii已經變成了一個細胞器（硝基體），而不是一個獨立的細菌。
圖：古細菌
最後
相較于線粒體、葉綠體數十億年的存在時間，硝基體是一個非常“年輕”的細胞器，它可能是最近1億年内才開始在真核細胞内逐漸演化。
目前沒人知道硝基體會不會像線粒體、葉綠體，以及色素體那樣深刻影響地球生命演化，但有一點是明确的，硝基體肯定不會是最後一個。
在它之後和在它之前肯定還有很多細菌正在或者已經被真核細胞轉化——有些可能甚至比線粒體還久遠，隻是它們的影響力不大，沒有被人發現而已。
報道原文：https://www.iflscience.com/the-once-in-an-eon-event-that-gave-earth-plants-has-happened-again-73878
文獻：
1.https://doi.org/10.1126/science.adk1075
2.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016