进化是一个奇妙而漫长的过程，伴随着一些随机的爆发活动，这些活动造就了我们星球上今天多样化的生命。这些事件可能发生在宏观层面，例如肢体效率更高的进化。它们也发生在微观细胞层面，例如细胞的各个组成部分最初是如何形成的。
现在，一个科学家团队探测到一个重大生命事件的迹象，这可能至少在十亿年里没有发生过。他们观察到了原核内共生——两种生命形式融合为一个生物。这一极其罕见的事件发生在一种丰富的海洋藻类和一种细菌之间，并在实验室环境中被观测到。作为参考，植物首次点缀我们的星球，就是因为上一次这种事件的发生。这些研究结果已在近期发表于《Cell》和《Science》两篇论文中进行了描述。
“细胞的能量工厂”和叶绿体是如何产生的
原核内共生发生在一个微生物吞噬另一个微生物时。然后，宿主开始将这个被吞噬的生物体作为内部器官来使用。宿主为这个现在被称为“内共生体”的生物体提供多种益处，包括营养、能量和保护。当被吞噬的内共生体无法独立生存时，它就变成了宿主的一个器官，被称为“细胞器”。
“细胞器很少能从这类事件中产生，”《Cell》杂志研究的合著者、加州大学圣克鲁兹分校的博士后学者 Tyler Coale 在一份声明中说。“我们认为，第一次发生时，它催生了所有复杂的生命。”
宿主生命形式成为另一个生物体功能基础的内共生事件，已知只发生过三次。所有这些事件都对进化产生了重大突破，因为与宿主融合对于内共生体的生存本身变得至关重要。
第一次事件发生在大约 22 亿年前。那时，一种名为古菌的单细胞生物吞噬了一个细菌，这个细菌最终演变成了线粒体。这个专门的细胞器就是每位学生物学学生都学过的“细胞的能量工厂”，它的形成使得复杂生物体的进化成为可能。
“比细菌细胞更复杂的一切都 owes its existence to that event，”Coale 说。“大约十亿年前，这种情况再次发生，形成了叶绿体，这让我们有了植物，”Coale 说。
第二次事件发生在更高级的细胞吸收蓝藻时。蓝藻可以从阳光中收集能量，它们最终演变成了能够从阳光中收集能量的称为叶绿体的细胞器。叶绿体使我们拥有了另一个核心生物学原理——能够利用阳光制造食物的绿色植物。
随着这一次最新的内共生事件，这种藻类可能正在将大气中的氮转化为它可以用于其他细胞过程的氨。然而，它需要细菌的帮助。
一个新的细胞器？
在发表于《Cell》杂志的论文中，一个科学家团队展示了这一过程正在再次发生。他们研究了一种名为 *Braarudosphaera bigelowii* 的藻类。这种藻类吞噬了蓝藻，赋予了它一种植物的超能力。它能够直接从空气中“固定”氮，并将其与其他元素结合，形成更有用的化合物。这是植物通常无法做到的。
氮是生命存在非常重要的营养素，而植物通常通过与细菌的互利关系来获取它，这些细菌与植物或藻类保持分离。该团队最初认为 *B. bigelowii* 藻类与一种名为 UCYN-A 的细菌存在这种共生关系。但实际上，这种关系已经变得更加紧密和严重。
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他们发现，在与 *B. bigelowii* 藻类相关的不同物种中，藻类和 UCYN-A 细菌的尺寸比例保持相似。它们的生长似乎受关键营养素交换的控制，从而将它们的代谢联系起来。这种生长速率的同步促使研究人员将 UCYN-A 称为类细胞器。
“这正是细胞器发生的情况，”该研究的合著者、加州大学圣克鲁兹分校的微生物海洋学家 Jonathan Zehr 在一份声明中说。“如果你看看线粒体和叶绿体，情况也是一样的：它们会随着细胞的规模而变化。”
介绍固氮质体
为了寻找更多证据证明这种细菌是一个细胞器，他们需要深入了解。发表在《Science》杂志上的研究使用了先进的 X 射线成像技术，观察了活着的 *B. bigelowii* 藻类细胞的内部。结果显示，宿主藻类和 UCYN-A 细菌的复制和细胞分裂是同步的。这为原核内共生融合过程提供了更多的证据。
“在这篇论文发表之前，仍然存在一个问题：这是否仍然是‘内共生体’，或者它是否已经变成了一个真正的细胞器？”研究的合著者、劳伦斯伯克利国家实验室生物科学部门的教员科学家兼 X 射线断层扫描国家中心主任 Carolyn Larabell 在一份声明中说。“我们通过 X 射线成像证明了藻类宿主和内共生体的复制和分裂过程是同步的，这提供了第一个有力的证据。”
他们还比较了分离出的 UCYN-A 细菌和藻类细胞内部的蛋白质。该团队发现，分离出的细菌只能制造大约一半所需的蛋白质。它需要其藻类宿主提供维持生命所需的其余蛋白质。
“这是从内共生体转变为细胞器的一个标志，”Zehr 说。“它们开始丢弃 DNA 片段，基因组变得越来越小，它们开始依赖母细胞来提供这些基因产物——或者蛋白质本身——然后运输到细胞内。”
该团队认为，这表明 UCYN-A 可以被视为一个完整的细胞器。他们将其命名为“固氮质体”（nitroplast），其演化可能始于大约 1 亿年前。虽然这对我们人类的时间尺度来说似乎很长，但与线粒体和叶绿体相比，在进化时间上这仅仅是百万分之一秒。
关于 UCYN-A 及其藻类宿主，仍有许多其他问题悬而未决，该团队还计划弄清楚 UCYN-A 和藻类是如何运作的，并研究不同的菌株。对固氮质体的进一步研究还可以确定它们是否存在于其他细胞中，以及它们可能带来哪些好处。例如，它可能在农业领域具有广泛的应用。
“这个系统为固氮提供了新的视角，它可能会为如何将这种细胞器工程化到作物植物中提供线索，”Coale 说。
according to Zehr，科学家们可能会发现其他具有与 UCYN-A 相似进化故事的生物，但这一发现是“载入史册的”。
