使您（和母羊和yew）的独特合并

一个乍一看，一棵树不能与吃叶子的毛虫更不同，蘑菇从其树皮中发芽，被躯干生长的草地，或者在它的阴影下的人类。然而，外表可以欺骗。缩小紧密，您将看到这些生物在微观水平时令人惊讶地相似。具体来说，它们都包括共享相同基本架构的单元格。

这些细胞含有中央核 - 一个命令中心，该命令中心用DNA填充并被膜围绕。周围的是许多较小的隔间，它类似于微小器官，练习储存分子或制造蛋白质的专用任务。其中包括线粒体 - 豆形发电厂，其提供具有能量的细胞。

所有动物、植物、真菌和藻类(一组被称为“真核生物”的生物)的几乎所有细胞都具有这种特征。

细菌展示了一秒钟，更简单地建立一个在复杂的真核续的细胞的方式至少十亿年。这些“原核生物”始终由单个电池组成，该细胞小于典型的真核生物一，并且局限性，如线粒体和核。尽管仅限于相对简单的细胞，但细菌也是令人印象深刻的生存机器。他们将每一个可能的栖息地殖民，从英里高云到深海。他们有一个令人眼花缭乱的生物学技巧，让他们引起疾病，吃原油，传导电流，从太阳汲取电力，互相沟通。

仍然，没有真核建筑，细菌永远受到尺寸和复杂性的影响。当然，他们有着惊人的技能，但它是覆盖森林和草原的地球的真核节，这导航寻找食物和伴侣的地球，将火箭建造在火星上。

从经典原核模型到豪华真核生物的过渡可以说是地球生命史上最重要的事件。并且在超过30亿多年的情况下，它发生了一次。

生命充满了复杂的结构，即进化时间。个体细胞与在几十个单独的场合中形成像动物和植物这样的多种细胞生物。眼睛也是如此，它具有独立的时间和再次发展。但真核细胞是一次性创新。

细菌沿着朝向复杂性的路径反复闪出。有些非常大（对于微生物）;其他人在表现出单一，许多细胞生物的殖民地中移动。但是他们都没有获得全部关键的关键特征，这些特征定义真核生物：大尺寸，核，内部隔室，线粒体等。作为从伦敦大学学院写的尼克车道，“细菌已经开始了一次真核复杂性的大道，但随后停止短暂。”为什么？

这种转变可以说是地球生命历史上最重要的事件。

这并不是因为缺少机会。世界上有无数的原核生物，它们以惊人的速度进化。即便如此，他们并没有很快发明真核细胞。化石告诉我们，最古老的细菌出现在30到35亿年前，但没有21亿年前的真核生物。为什么原核生物能保持简单细胞的形态这么长时间?

有许多可能的解释，但其中一个最近获得了很多地面。它讲述了一个原英科，以某种方式发现了它在另一个内部的方式，并与其主人形成了持久的伙伴关系。这种内细胞 - 一种细菌遗弃的自由生存，最终转化为线粒体。这些内部发电厂提供了具有能量的宿主的宿主细胞，使其在其他原核生物永远无法达到的新方向上发展。

如果这个故事是真的，那么仍然有那些怀疑它的人，那么所有的真核生物 - 每颗花和真菌，蜘蛛和麻雀，男人和女人都是从两个微生物之间突然令人兴奋的不可能的合并。他们是我们伟大的大伟大伟大的...... - 曾祖父母，并成为一个人，他们为生活形式奠定了基础，似乎让我们的星球如此特别。我们所看到的世界（以及我们根本看到的事实;眼睛是一种真核生物）被那个命运的联盟 - 一个联盟不可撤销地改变，所以不太可能完全没有发生这种情况，永远不会发生这种世界由微生物占主导地位，从来没有欢迎树木，蘑菇，毛毛虫和美国等精致和令人惊叹的生活。

我1905年，俄罗斯生物学家康斯坦丁·梅雷什科夫斯基首次提出真核细胞的某些部分曾经是内共生体——在其他细胞内永久居住的自由生活的微生物。他认为细胞核就是以这种方式产生的，就像允许植物细胞利用阳光的叶绿体一样。他没有发现线粒体，但美国解剖学家伊万·沃林(Ivan Wallin)在1923年将它们定位为内共生体。

几十年来忽略了这些想法，直到美国生物学家 - 迟到了林恩·马古利斯- 1967年他们一个激进的纸她认为，线粒体和叶绿体曾经是自由生活的细菌，先后被另一种古老的微生物摄入。这就是为什么它们仍然有自己的微小基因组，为什么它们表面上看起来仍然像细菌。马古利斯认为，内共生并不是一个疯狂、古怪的概念——它是真核生物中最重要的主词动机之一。

本文是一项小区生物学，生物化学，地质，遗传学和古生物学的旅游力。它的结论也是非常糟糕的非正统。当时，大多数人都认为线粒体只来自细胞的其他部分。“杜松症indosymbiosis]是禁忌，”来自德国杜塞尔大学杜塞尔大学的Bill Martin说。“在再次出来之前，你不得不偷偷溜进衣柜，对自己耳语。”

MARGULIS的意见吸引了激烈的批评，但她捍卫了平等的活力。很快她就有了她背后的证据的重量。例如，遗传学研究表明线粒体DNA与自由生物细菌相似。现在，很少有科学家怀疑合并用古代细菌的后代注入每只动物和植物的细胞。

“[胚胎]是禁忌，”Bill Martin说。“在再次出来之前，你不得不偷偷溜进衣柜，对自己耳语。”

但该合并的时间，其参与者的性质及其与真核生物崛起的相关性仍然热烈辩论。近几十年来，真核生物的原点故事比旧的，可以获得更快的人可以测试，但大多数落入两个广阔的营地。

首先让我们称之为“渐进原因”组 - 声称原核表通过逐渐生长在大小和拾取像细胞核中的特征和吞咽其他细胞的能力来演化到真核生物中。一路上，这些原型 - 真核生物获得了线粒体，因为它们会定期吞噬细菌。这个故事很缓慢，稳定，既然达尔文本质上。采集线粒体的收购只是漫长，逐渐过渡的另一个步骤。这就是晚期Margulis认为直到最后。

替代让我们称之为“突然出现”营地 - 非常不同。它吞噬了缓慢，达尔文进展，并表示，真核生物是通过突然和戏剧性的两项原核生物的突然和戏剧性的结盟出生。一个是细菌。另一个是原核生物的其他伟大血统的一部分：archaea。（稍后更多关于他们。）这两个微生物看起来是一定的，但它们在他们的生物化学中随着PC和MAC在其操作系统中的不同。通过合并，它们实际上创建了第一个真核生物的起点。

比尔·马丁和Miklós Müller在1998年提出了这个想法的最早版本之一。他们称之为氢假说。它涉及到一种古老的古细菌，像许多现代成员一样它通过使氢和二氧化碳结合生成甲烷来获取能量。它与一种能产生氢气和二氧化碳的细菌合作，古细菌可以利用这些物质。随着时间的推移，它们变得密不可分，细菌变成了线粒体。

该假设有许多变体，其原因在于合并的原因和古老的群体的确切身份和所涉及的细菌。但是，他们都在团结一致，一个关键的功能将它们与渐进的原因相比：他们都说宿主仍然是一个善意的原核生物。这是一个古老的，通过和通过。它尚未开始增大。它没有核心。它不是成为真核生物的道路;它脱落了那条路因为它与细菌合并。正如马丁所说，“本发明稍后。”

这一区别再重要不过了。根据突然起源的观点，线粒体不仅仅是早期真核生物的众多创新之一。“获得线粒体是真核生物的起源，“车道说。“他们是一个和同一个事件。”如果是正确的话，真核生物的崛起是一个基本不同的进化过渡，而不是导致眼睛或光合作用的逐渐变化，或从海上移动到土地。这是一种令人难以置信的不可能的侥幸事件 - 就我们所知道的，只有在地球上十亿多年的生命后才发生，并且在20亿年后尚未重复。“这是一个有趣和令人兴奋的可能性，”车道说。“这可能不是真的，但它很漂亮。”

我1977年，微生物学家卡尔·沃斯有了一个聪明的想法，通过对不同生物体的基因排序来比较它们。这是现代生物学日常生活的一部分，但在当时，科学家依靠身体特征来推断不同物种之间的进化关系。比较基因是一项大胆而新颖的研究，它将在揭示像真核生物这样复杂的生命是如何形成的过程中发挥关键作用。

沃西的重点是16S RRNA，一种参与制备蛋白质并在所有生物中发现的基因。WOESE推出，随着生物分歧到新物种，他们的版本rRNA应该变得越来越不同。通过对一系列原核生物和真核生物的基因进行比较，生命之树的分支应该会显露出来。

他们做了，但没有人预料到结果。沃斯的树有三根主要的树枝。细菌和真核生物坐在其中的两个上面。但第三种是由一群鲜为人知的原核生物组成的，它们是在炎热、不适宜居住的环境中发现的。伍斯称它们为古生菌，这个词来自希腊语，意思是古代。每个人都认为它们是鲜为人知的细菌类型，但沃斯的树形图宣布它们是生命的第三个领域。这就好像每个人都在盯着一张世界地图，沃斯礼貌地表示，地图的三分之一已经被折叠在下面了。

这两种微生物表面上看起来相似，但它们的生物化学差异就像pc和mac电脑操作系统的差异一样。

在WOESE的经典三域树，真核生物和Archaea是姐妹群体。他们都从一个共享的祖先演变，这很早就在地球生命历史上很早分裂。但这种整洁的画面在20世纪90年代开始揭开，因为现代遗传学的时代踢到高齿轮，科学家开始测序更多真核基因。有些人确实与古代基因密切相关，但其他人结果与细菌患者更密切。真核生物是一个混乱的喧嚣，它们的进化亲和力在随着每一个新的测序基因移位。

2004年，詹姆斯湖改变了参与规则。而不是看任何单一基因，他和他的同事Maria Rivera比较了两种真核生物，三种细菌和三个古亚的整个基因组。他们的分析支持了兼并的兼并的想法：他们得出结论，所有生命的共同祖先分化为细菌和古亚，它独立进化，直到其两个成员突然合并。这创造了第一个真核生物，并关闭了现在似乎是“生活环”。在那个命运遭遇之前，生活只有两个主要域名。之后，它有三个。

Rivera和Lake后来只是看着七种物种，但没有人可能会指责爱尔兰进化生物学家James Mcinerney相同的错。在2007年，他使用超过5,700个基因制作了一个超级树，来自168个原基和17个真核生物的基因组。他的结论是相同的：真核生物是合并生物，通过古代共生形成的细菌和古老的古代。

来自这些伴侣的基因并没有无缝整合。他们的行为就像纽约亚裔和拉美裔社区的移民，他们共享同一个城市，但支配着不同的地区。例如，它们大多与自己的同类相互作用:古菌基因与其他古菌基因相互作用，细菌基因与细菌基因相互作用。麦金纳尼说:“在操场上有两组人，他们玩的方式不同，因为他们在一起的时间不同。”

他们也做了不同的工作。古代基因更有可能参与复制和使用DNA。细菌基因更涉及分解食物，制作营养素，以及作为微生物的其他日常方面。虽然古代基因超过4比1的细菌邻居数量偏差，但它们似乎更为重要。它们几乎是活跃的两倍。它们产生在各自的细胞中发挥更多中央角色的蛋白质。如果他们被错误地删除，他们更有可能杀死他们的主人。在过去的四年里，Mcinerney在酵母，在人类中，在几十个其他真核组中发现了同样的模式。

如果你相信突然的想法，这一切都是有道理的。当那些古老的合作伙伴合并时，移民细菌基因必须围绕着天然的古网络网络融入，这些网络已经在不可思议的几代人中发展。他们确实整合，虽然许多古代基因被移位，但绝不会被抛弃精英套。尽管有20亿多年的演变，但这种核心网络仍然存在，并保留出与少数比例的关键作用。

T他突然起源的假设使得一个关键预测：所有真核生物必须有线粒体。任何例外都会是致命的，在20世纪80年代，它开始看起来像是有一个例外。

如果你在世界错误的部分喝了错误的水，你的肠道可能会成为一个叫做肠道寄生虫的家贾迪亚．在接下来的几周里，你可能会有强烈的胃痉挛和剧烈的腹泻。除了痛苦,贾迪亚有一个奇怪的解剖学和有趣的解剖学。单个细胞的itconsiss看起来像一个具有四条尾巴的泪丝的恶毒泪丝。里面，它没有一个核，而是两个。它显然是一种真核生物。

但它没有线粒体。

至少有一千个其他单细胞的真核生物，大多是寄生虫，也缺乏线粒体。他们曾经被称为古佐亚人，他们缺少的电厂使它们为真核病争论的辩论提供了焦点。当原核生物已经变成原始真核生物时，他们似乎是一个居住的时间，但在他们拿起他们的线粒体之前。他们的存在作证，线粒体在真核生物崛起中是迟到的收购，并威胁要对突然来源的故事造成淘汰。

当科学家慢慢意识到这一点时，这种打击偏转了这一点贾迪亚它的同类具有只在其他真核生物的线粒体中发现的基因。这些太古代动物一定曾经有线粒体，但后来线粒体丢失或转化为其他细胞隔间。它们不是线粒体合并之前的原始真核生物——它们是先进的像绦虫和其他寄生虫一样退化的真核生物经常失去复杂的器官，在他们采用寄生的生活方式之后不再需要。“我们尚未找到一个原始的线粒体无线真核生物，”Mcinerney说：“我们已经看了很多看法。”

随着太古宙的大棒被拆除，突然起源的观念又以新的活力回到了人们的面前。“我们预测所有真核生物都有线粒体，”马丁说。“当时每个人都在笑，但现在它是教科书上的知识。我赢得胜利。除了教科书，没人会给我。”

我F Mitochondria非常重要，为什么他们只能进化一次？为此而言，为什么真核生物只演变一次？

Nick Lane和Bill Martin在2010年回答了两个问题，在一个叫做的Bravura纸上，“基因组复杂性的能量学”,发表在自然．在一系列简单的计算和优雅的逻辑中，他们推断原核生物之所以保持简单，是因为它们负担不起所有真核生物所过的耗油生活方式。套用史考特的话来说:他们做不到，船长，他们只是没有这个权力。

Lane和Martin认为，对于一个细胞变得更加复杂，它需要更大的基因组。例如，例如，平均真核基因组约为100-10,000¹比平均原核的时间大。但大型基因组没有免费来。细胞需要能量来复制其DNA并使用其基因编码的信息来制造蛋白质。特别是后者是细胞执行的最昂贵的任务，浸泡其总能量供应的四分之三。如果细菌或archaeon将其基因组扩展10次，则需要大约10倍的能量来资助其额外蛋白质的构建。

这就好像每个人都在盯着一张世界地图，沃斯礼貌地表示，地图的三分之一已经被折叠在下面了。

一个解决方案可能是变大。驱动原核生物在其膜上发生的能量产生的反应，因此具有较大膜的更大细胞将具有更大的能量供应。但更大的细胞也需要制作更多的蛋白质，所以他们会燃烧更多的能量比他们获得的能量。如果原核生物缩小到真核细胞的相同尺寸和基因组，则最终会在每个基因上花费230,000倍的能量！即使这种悲观效率低下的可怜人物可以在隔离中生存，也可以容易地被其他原核生脱颖而出。

原核生物被困在一个充满活力的峡谷中，让他们保持简单和小。他们没有办法攀爬。如果有的话，进化将它们沿相反的方向驱动，无情地将其基因分割成密集包装和重叠基因的环。只有一次代原因逃离峡谷，通过一个单数和不可能的技巧 - 它获得的线粒体。

线粒体有一个内膜，折叠自身像沉重的织物一样。它们为其宿主细胞提供了一种巨大的表面积，用于产生能量的化学反应。但这些反应是挥发性的，易怒的东西。它们涉及通过从食物分子中剥离电子剥离电子的线粒体膜中的蛋白质链，使它们彼此通过，并将它们倾倒在氧气上。这产生高电压和不稳定的分子。如果有任何问题，电池很容易死。

但线粒体也有一小部分DNA，这些DNA编码了参与这些电子转移链的大约12种蛋白质。它们可以快速或多或少地制造任何参与其中的蛋白质，以控制细胞膜上的电压。它们提供能量和控制能量的能力。它们在不影响细胞核的情况下就能做到这一点。它们专门用来利用能源。线粒体确实是真核细胞的动力源。“指挥中心太官僚，离得太远，什么都做不了，”莱恩说。“你需要有这些小团队，它们的权力有限，但可以酌情使用它们来应对当地情况。如果他们不在那里，一切都会死。”

如果智慧外星人确实存在，他们可能也有类似线粒体的东西。

原核生物没有有Powerhouses;他们是Powerhouses。他们可以向内折叠膜，以获得生产能量的额外空间，许多人。但它们没有产生高能量分子的二级DNA前哨，因此中央政府（核）有时间和能量进行进化实验。

唯一的方法就是合并另一个单元格。当一个太古菌这样做时，它立即跳出它的能量峡谷，由它的新细菌伙伴提供动力。它可以扩大自己的基因组，试验新的基因和蛋白质类型，变得更大，并沿着新的和创新的路线进化。它可以形成一个包含遗传物质的细胞核，并吸收其他微生物作为新的微小器官，比如在植物中进行光合作用的叶绿体。“你需要线粒体水平的力量来资助这些进化冒险，”马丁说。“他们不是免费来的。”

Lane和Martin的论点是突然起源假设的巨大福音。为了变得复杂，电池需要稳定，分布的能量供应，只有线粒体可以提供。如果没有这些内部发电站，其他原核性的所有进化的聪明才智，始终保持单个简单的细胞。

创造线粒体的这种合并似乎是一件荒唐的、不可能发生的事情。原核生物在超过30亿年的时间里只经历过一次，尽管它们一直在相互接触。“在进化的过程中，肯定有成千上万的这样的案例，但它们必须找到一种相处、协调和相互适应的方式，”莱恩说。“这似乎真的很难。”

这种不可能的可能对寻求外星生活的影响。在具有正确化学条件的世界上，巷相信生活肯定会出现。但没有一个命运合并，它将是永远的微生物。也许这是答案费米悖论- 聪明的生活中存在智能生活的高度明显赔率之间的令人费解的矛盾银河系中数十亿颗行星，我们无法找到这种智能的任何迹象。随着Lane在2010年写道，“不可避免的结论是宇宙应该充满细菌，但更复杂的生活将是罕见的。”如果确实存在智能外星人，他们也可能有像线粒体这样的东西。

T真核生物的起源决不是一个已确定的事实。各种观点的影响力有增无减，尽管目前有许多证据表明它的起源是突然的，但仍有许多不同意见。一些科学家支持一些激进的观点，比如原核生物是进化得更简单的真核生物的变体，而不是它们的祖先。其他人仍然是伍斯树的忠实信徒。

2007年，安东尼·普尔(Anthony Poole)和大卫·潘尼(David Penny)在一篇文章中指责“突然起源”阵营推行“建立在不受约束的想象中的机制”。他们指出古生菌和细菌不会互相吞噬——这是真核生物的特征。我们很容易看到原始真核生物是如何通过吞噬细菌获得线粒体的，但很难想象一个相对简单的古生菌是如何做到的。

这种强大的蒸煮器已经失去了一些叫做柑橘般的白昆虫的刺痛。其细胞含有一种叫做细菌Tremblaya.， 和Tremblaya.含有另一种叫做的细菌伦泰．这是一种原核生物，以某种方式有另一种原核生物生活在它里面尽管它明显无法吞噬任何东西。

尽管如此，初始古老的细菌合并如何发生的细节仍然是一个谜。一个人怎么走在另一个？什么密封他们的伙伴关系 - 是氢气，因为马丁和Müller建议，或其他东西？他们是如何保持连任的？“我觉得我们有路线图，但我们没有所有的白线和路标，”马丁说。“我们有大局，但不是所有的细节。”

也许我们永远不会知道。迄今为止，真核生物的起源及时，这是一个奇迹，我们甚至有一种暗示发生的事情。异议是不可避免的;不确定性，保证。

“你不能说服早期进化中的任何东西，因为他们抓住了自己的信仰，”马丁说。“但我并不担心试图说服任何人。我已经解决了这些问题，让我自己满意，这看起来都很稳定。我很高兴。”

Ed Yong是一位获奖的科学作家。他的作品已出版有线，自然，英国广播公司，新科学家，监护人，时代，永安，发现，科学美国，科学家，BMJ，石板，和更多。