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首次发现不需要氧气的动物!挑战人类对进化论和生命的认识

时间:2020-03-21 14:10:01 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

氧是地球上大多数动植物(包括人类)细胞呼吸所必需的物质,那些呼吸不依赖氧的细胞称为厌氧生物。然而,目前发现的厌氧生物主要是厌氧菌,几乎都是单细胞生物。2010年,研究人员在沉积在地中海底部的污泥中发现了“厌氧多细胞生物”,这在当时引起了轩然大波。

最近,出现了比“厌氧多细胞生物”更先进的厌氧生物。

以色列特拉维夫大学动物学家达雅娜·亚哈罗米的研究小组首次证实,鲑鱼肌肉组织中常见的一种寄生虫——鲑尾孢菌具有完全独立于氧气的特殊特性,细胞中没有线粒体,甚至根本没有线粒体DNA寄生虫是目前地球上已知的所有厌氧生物中最复杂、最先进的。据说,成为第一个被发现的“厌氧动物”没有错。该结果发表在2020年2月24日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上那么,什么是细胞呼吸?它和我们肺部的呼吸有什么联系和区别?原核细胞和真核细胞的呼吸有什么不同?鲑鱼栖息在尾孢菌中的魔力是什么,它和迄今为止发现的厌氧生物有什么不同?研究厌氧生物呼吸的意义和价值是什么?读完这篇文章,你自然会得到这些问题的答案。

在荧光显微镜下,鲑鱼尾孢菌发出绿色光。来源:斯蒂芬·道格拉斯·阿特金森

什么是细胞呼吸?真核细胞和原核细胞的呼吸有什么区别?

我们通常所说的呼吸是指肺部通过胸部和腹部肌肉和骨骼的协同作用吸入氧气和呼出二氧化碳的过程。本质上,这与人体细胞内的呼吸作用完全不同。为了说明这种区别,在讨论细胞呼吸作用时,我们通常把肺部的气体交换过程称为呼吸运动所有关于呼吸的讨论(包括有氧呼吸、无氧呼吸等。)在本文中是细胞内呼吸,不涉及呼吸运动。

呼吸,也称为细胞呼吸,是生物体细胞氧化分解有机物质并转换能量的化学过程,本质上是由酶催化的氧化反应完成细胞生命活动所需的能量来自呼吸。尽管它被称为氧化反应,但无论是否有氧气参与,它都可以被称为呼吸(这是因为在化学中,带有电子转移的反应过程可以被称为氧化)涉及氧气时的呼吸功能称为有氧呼吸。无氧反应称为无氧呼吸。换句话说,厌氧生物细胞不需要氧气来参与获取能量的过程。

有氧呼吸中的物质和能量流动过程来源于细胞呼吸。瑞吉斯·弗雷

。尽管组成地球生物的细胞非常不同,但除了病毒之外没有完整细胞结构的物种根据其细胞的复杂性被分为原核细胞和真核细胞。原核细胞结构相对简单,由它们形成的生物体称为原核生物,细菌是典型的原核生物。绝大多数原核生物都是单细胞生物。它们体积小,没有负责呼吸的透明细胞器,但它们仍然可以通过呼吸为自己提供能量。

真核细胞的结构比原核细胞复杂得多,不仅有各种膜结构形成的内膜系统,而且分化出各种分工不同的细胞器,体积可达原核细胞的1万倍几乎所有的多细胞生物,包括普通的植物和动物,都是由真核细胞组成的真核生物。线粒体是真核细胞中与呼吸最相关的细胞器,在真核细胞中进行呼吸的几个关键步骤。如果我们把真核细胞比作汽车,那么线粒体的作用就是引擎。发动机驱动汽车的过程是细胞呼吸并为自己提供能量的过程。然而,根据发动机的类型,要添加的燃料(无论是否添加氧气)也是不同的,这被称为有氧呼吸和无氧呼吸。比较

真核细胞和原核细胞,来源:

公共领域的多细胞厌氧动物-意外的大发现

鲑鱼尾孢是常见的海洋寄生虫,发现于大西洋鲑鱼、粉红鲑鱼、鳟鱼和其他鱼类早在19世纪末,人类就已经观察到了这种寄生虫。虽然它是真核生物,但它的身体组成非常简单,只有不到10个细胞当鲑鱼被它感染时,通常可以在肌肉表面看到乳白色斑点。人们发现,尽管受寄生虫影响的鱼外表看起来并不好看,但它在进食后对身体没有任何伤害,因此没有对它给予特别关注。

寄生在鲑鱼体内的鲑鱼球虫形成的白斑(囊肿)中布满了微小的蠕虫。来源:米歇尔·马欧阿斯

然而,最近,以色列特拉维夫大学的动物学家达雅娜·亚哈罗米的研究小组发现了一个惊人的秘密——鲑鱼球虫不含线粒体DNA(有些DNA位于线粒体中,与细胞核中的DNA不同)!

这到底是什么意思?

如前所述,线粒体是真核细胞呼吸的重要细胞器以色列科学家感兴趣的第一个问题是,寄生虫生活的环境明显缺乏阳光。他们是怎么呼吸的?

显然,回答这个问题最直接的方法是研究它们的线粒体。

,但是当他们试图分析鲑鱼尾孢菌的线粒体DNA以揭示寄生虫如何在鲑鱼肌肉缺氧的情况下呼吸时,他们发现了非常不寻常的情况。尽管在寄生虫中发现了类似线粒体的器官,但线粒体的DNA并不能一直提取,这让被困的研究小组更加困惑。通过比较具有相似进化关系的物种的基因序列,发现

没有线粒体DNA。此外,更详细的研究表明,它甚至缺乏与线粒体DNA转录和复制相关的基因,而这些基因应该存在于普通生物体中。

目前,科学家们还没有完全了解尾孢属中鲑鱼的生活方式,但是真核生物没有线粒体就不能进行有氧呼吸。研究人员认为,通过从宿主鲑鱼体内窃取三磷酸腺苷(ATP)并将其作为自己的能量来源,它们可能能够存活。三磷酸腺苷,也称为“生物能”,是细胞在呼吸过程中产生的能量载体,在生物体内物质的代谢和合成中起着重要作用。

该研究小组在论文中指出:“我们的研究表明,不仅单细胞真核生物,而且一些多细胞生物和寄生虫也在朝着适应厌氧环境的方向进化。但是这种演变的原理和动机目前还不清楚。

厌氧菌和需氧菌,其来源是:DifferenceBetween.co

真核生物非常罕见,但厌氧菌并不罕见。至于厌氧菌,目前还没有明确的定义。一般来说,这种细菌在厌氧条件下比在有氧环境下生长得更好,并且不能在含有空气(21%氧气)和/或10%二氧化碳浓度的固体培养基表面生长。它们缺乏一个完整的代谢酶系统,它们的能量代谢是通过无氧呼吸进行的。根据其对氧的耐受性,可分为专性厌氧菌、微需氧厌氧菌和兼性厌氧菌。

细菌好氧/厌氧模式示意图,来源:хоооостоооо。со。

人体正常菌群也含有大量厌氧菌,广泛分布于人体皮肤和肠道的深层粘膜表面。在正常情况下,人类环境不适合厌氧菌的生长,因此它们不能大量繁殖。然而,当组织缺血、坏死或需氧细菌感染导致局部组织氧浓度降低时,可能会发生厌氧菌感染。可引起破伤风的病原体:破伤风梭菌是厌氧菌的典型例子

近年来,新发现的厌氧菌不断被报道根据不同的生活环境,这些细菌以多种方式呼吸,这可以称为进化的极端意义。铁离子、锰离子、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、富马酸盐、二甲基亚砜等可以取代氧的作用,成为获取能量过程中的反应物

厌氧生物的起源一直有不同的看法。据说厌氧生物起源于古代,新生的地球上没有氧气,这是一个适合厌氧生物生存的时代。然而,几十亿年后的今天,空气中的氧气浓度已经达到了21%关于古代厌氧生物如何进化和适应现在的有氧环境,仍然有许多未解之谜

挑战众所周知的动物进化理论

需要生存。寄生虫实践“极简主义”,并倾向于慢慢丢弃不重要的器官,如触觉器官、运动器官、消化器官等。然而,我们现在最初看到的寄生虫到底是什么?

最近引起了鲑鱼球虫的注意,更坚定地贯彻了极简主义原则,不仅触觉器官、运动器官、消化器官不再存在,甚至神经系统也消失了由于没有各种器官,它的细胞数只有一位数。研究人员认为,鲑鱼尾孢菌可能正在从多细胞生物进化到单细胞生物的过程中,这与众所周知的动物进化理论背道而驰。

可以说寄生虫的“极简主义”是“逆向进化”的真实版本

重新解释了生命存在的方式,从而影响了探索外星生命的方向。

对鲑尾蚴的新发现还有什么其他研究意义?

首先,这一发现动摇了我们对地球上生命存在方式的固有理解。人们普遍认为,大约14.5亿年前,生物开始进化出代谢氧气的能力——有氧呼吸。科学家们已经想象出了这样的情况相对较大的古细菌将较小的古细菌吸收到身体中,并以某种方式创造了对双方都有利的共生关系,最终它们融合成一个身体。从这种共生关系开始,两个物种一起进化,较小的古菌最终成为称为线粒体的细胞器

甚至在我们的身体里,线粒体,细胞呼吸所必需的,存在于除红细胞之外的所有细胞中。线粒体分解氧气产生三磷酸腺苷,然后被多细胞生物用于各种细胞代谢过程。具体地说,当三磷酸腺苷水解时,形成二磷酸腺苷(ADP),释放磷酸根,同时释放能量。这些能量将在细胞中被利用,生物体中的所有活动,如肌肉收缩产生的运动和神经细胞的活动,都将利用三磷酸腺苷水解过程中产生的能量。

生物体不断经历适应性进化,以便在低氧条件下获得更多生存机会。如前所述,通常有一些单细胞原核生物进化类似线粒体的细胞器并进行厌氧代谢的例子然而,不使用氧气进行新陈代谢的多细胞生物的存在一直存在争议。很长一段时间以来,受动物必须依靠氧气生存的思想的限制,很少有人考虑过在没有氧气或氧气浓度低的星球上发现复杂生物的可能性。这一发现不仅填补了地球上动物研究的空白,也打破了人类探索外星生命的固化模式。

不管怎样,鲑鱼尾孢菌是不是来自古代,它根本不需要氧气?还是它是连续“反向进化”的结果?这仍然是一个有待解决的谜,我们期待着尽快找到答案。

来源:Frepic . com

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