细菌看起来很简单，但它们的内部结构可能会令人惊讶地划分开来。打开一本几十年前出版的基础生物学教科书或一本几个月前出版的基础生物学教科书，两者都将以同样的方式定义两大类细胞：真核生物有一种称为细胞器的膜结合区，其中包括一个细胞核，它们存储自己的遗传信息，而原核生物则没有。这种区别甚至体现在他们的名字中：在希腊语中，“真核生物”的意思是“真正的内核”(指细胞核)，而“原核生物”的意思是“内核之前”。
正如进化的故事通常所说，最早出现的是原核生物：古细菌和细菌，它们通常被想象成没有复杂结构的简单的酶袋。然后，15亿多年前，真核生物进化了，标志着前所未有的细胞复杂性的出现，并永久地改变了地球上的生命，使动物、植物、真菌和原生生物得以崛起。真核生物与它们的前辈有很大的不同，从一个完全的原核生物世界到一个包含真核生物的世界的转变常常被描述为突然的和爆炸性的。
但这种说法忽略了这样一个事实：在过去几十年里，研究人员一直在悄悄地揭示原核生物内部的许多复杂结构，包括膜结合细胞器。真核生物都有一套共同的细胞器，与之相反，不同的原核生物群体展示了它们自己的特殊区域。年发现的一种细菌细胞器，本质上是一个包裹在脂质包裹中的小磁铁；另一种宿主有一系列对能量代谢至关重要的反应；还有一些作为营养物质的小储存单元。
而随着科学家们在原本应该很简单的细菌细胞中发现越来越多的细胞间隔，这个名单只会越来越长。澳大利亚昆士兰大学的微生物学家JohnFuerst说：“换句话说，细菌要复杂得多，它们与真核生物在生物学上的相似性可能比人们过去想象的要多得多。”这些细菌中存在的细胞器，加上它们与真核生物中常见的细胞器有着有趣的相似之处，促使科学家们修正了他们对细胞复杂性进化的看法——所有这些都为探索细胞复杂性的基本原理提供了新的方法。
一个新的目录
加州大学伯克利分校的微生物学家阿拉什·科梅里说：“从历史上看，人们对细菌细胞中具有特定功能的细胞间隔的了解由来已久，可以追溯到19世纪。”然而，虽然真核细胞器已经被详细研究了几十年，但直到最近才有可能在原核生物中做到这一点。细菌很小：比典型的真核细胞小几个数量级，有时甚至比真核细胞的细胞器还要小。这使得分离和分析细菌隔间变得极其困难，从而了解它们是什么，以及它们在做什么。(古生菌在20世纪70年代才被确认为一个独特的原核生物王国，它受到的审查甚至比细菌还少。)更好的成像技术最终开始让这类研究变得更容易。
磁旋体细菌(上图)的电子显微图揭示了它用来导航的磁小体链。每一个磁性颗粒周围都有一层脂质膜(底部的特写镜头)。这些结构，是研究最好的原核细胞器之一，允许细菌通过它的水环境导航。研究最好的细菌细胞器之一是磁小体，它是一种圆形结构，在其脂质双层膜内形成磁性颗粒。这些细胞器是水生“趋磁”细菌能够沿着地球磁场垂直航行，到达它们赖以生存的低氧深处。Komeili和他的同事们一直在识别与磁小体如何构建、维持以及随后在细胞后代中分裂有关的基因和蛋白质。
“从表面上看，”科梅里说，“很多这样的活动，甚至它们的样子，都让人想起真核细胞构建细胞器的方式。至少，它们的功能与某些动物(包括鲑鱼和信鸽)探测磁场的能力相当。在今年4月发表的一篇论文中，研究人员报告称，一种原生生物通过与趋磁细菌的共生关系实现了这一功能。
但是磁小体并不孤单。科学家们在寻找其他东西的时候，偶然发现了大量其他奇怪的细菌隔间。虽然这些细胞器中的许多可能不是严格意义上的细胞器——细胞器必须是与细胞膜完全分离的脂结合结构——但其中一些确实符合要求。
诱人的例子出现在一组卵形水生细菌中，它们被称为普朗克真菌。某些种类的普朗克真菌含有一种膜结合的细胞器，称为anammoxosome，它能隔离产生氮的化学反应和有毒介质。Anammoxosomes就像细菌的能量工厂，就像真核生物中的线粒体一样，尽管Anammoxosomes不像线粒体那样是共生体的残余。
另一种普朗克体多年来一直是争论的焦点。几十年前，富尔斯特等人的二维成像似乎表明，蒙昧宝石菌的DNA被一层膜包围，这立刻让人想起了真核生物的细胞核。这些结果引起了人们的质疑——成像似乎表明细胞间隔并不是完全封闭的，这意味着它不符合细胞器的定义——但专家们仍然对这些细菌感到兴奋。它们拥有迄今为止在原核生物中见过的最复杂的内部膜系统，它们包含的蛋白质在结构上类似于那些形成并维持真核生物膜的蛋白质。它们似乎也有真核生物特有的过程，比如消化细胞内的营养物质和合成甾醇分子。
“问题是，我们基本上对(这个膜系统)一无所知，”西班牙安达卢西亚发展生物学中心研究普朗克真菌的微生物学家达米安·德沃斯说。“对于它的作用，它是如何作用的，以及涉及的分子是什么，我们的看法仍然非常非常有限。”
电子显微图(顶部)和三维重建(底部)的细菌黑暗宝石菌显示，它的细胞膜上有很深的囊泡(蓝色)，似乎隔离了它的遗传物质(黄色)，这让人想起真核生物的细胞核。该物种和其他普朗克菌具有迄今为止在原核生物中观察到的最复杂的内膜系统。细菌似乎也有各种各样的封闭结构，这些结构不是由脂质膜而是由蛋白质外壳结合而成。以羧基为例，它在细菌中独立进化了两次，以固定碳。它们和更小的、自组装的纳米隔间具有多面体结构，看起来惊人地像病毒衣壳，即包裹病毒基因组物质的蛋白质外壳。
目录越来越长：Komeili和他的同事最近发现了一种新的脂结合细胞器，它可以积聚铁，他们称之为铁素体。细菌似乎拥有大量这样的细胞器，更多的细胞器还有待发现。科学家们现在开始探索这在真核生物进化的背景下意味着什么。他们希望在不断增长的结构列表中建立直接的进化关系，或者精确找出那些对划分和复杂性是独特和必要的因素。
细胞核作为进化的后来者
关于真核生物如何进化的问题往往围绕着各种细胞创新出现的顺序，以及“在第一个真核生物进化之前，有多少特征实际上是古老的，存在于古生菌和细菌中，”福尔斯特解释说。
两个主要的里程碑定义了真核生物的起源。其一，与他们名字的“真正内核”含义一致的是，细胞核作为他们DNA的容器出现。另一个是线粒体的形成，线粒体被认为曾经是一种自由生活的细菌，被古细菌的祖先吞噬。专家们对这些事件的最可能顺序和相对重要性存在分歧。有些人认为获得线粒体是引发真核生物进化的根本变化。另一些人则认为真核生物的进化正在进行中，一种复杂的膜装置(可能包括细胞核)已经存在，有助于线粒体前体的吸收。
在我们认为是细胞核的可识别特征出现之前，真核生物谱系可能已经很好地成为一个独立的实体。
没有人知道在细菌中看到的结构是真核生物细胞器进化的原始的中间步骤，还是独立于真核生物进化的独立创新。答案有可能因每个细胞器而异。但即使细菌和真核细胞器完全独立进化，原核结构也可能有助于理解真核结构。
今年4月，当两名研究人员提出一个有趣的论点时，这种可能性得到了强调。他们认为，原子核的形成比人们普遍认为的要晚得多。洛克菲勒大学的细胞生物学家、该论文的共同作者之一迈克尔·鲁特说，“我们提出，实际上，在真核生物进化的大部分过程中，我们今天所知的细胞核并不存在。”
他和他在英国邓迪大学的同事马克·菲尔德指出，核孔复合体(细胞核和细胞质之间的通道)由两种蛋白混合而成，这两种蛋白分别存在于其他膜结构中。在进一步分析的基础上，他们提出了一个年表，其中“在我们所知的细胞核形成之前，内膜系统就已经分化并专门化了，”鲁特说。与此同时，线粒体的获取可能是并行发生的——所有这些都意味着从古细菌到最后的真核生物共同祖先的缓慢、逐步的进展。在这一过程中，许多中间真核生物会缺乏细胞核和其他复杂的特征。
阿尔伯塔大学的进化细胞生物学家乔尔·达克说:“在我们认为的细胞核的可识别特征出现之前，真核生物谱系可能已经在成为一个独立实体的道路上走得很好。”
这意味着“现代真核生物的祖先很可能拥有简单的内部膜结构，与原核生物中发现的简单结构可能相距不远，”新西兰奥克兰大学生物学家安东尼普尔说。
他补充说:“这确实提出了一个问题，即是否有任何(原核结构)与真核生物进化早期阶段的这幅图具有某些功能上的相似性。”
此外，如果原核生物构建和维持这些结构的方式与真核生物不同，那么科学家就可以更有信心地确定如何以及为什么会出现分隔。“它把真核发生带出了特殊的一次性环境，”Dacks说，“进入了一个真正伟大的科学问题的领域，这个问题可以被很容易地解决。”
超越投机的一步
当划分被认为是真核生物的一个独特特征时，专家们常常被迫推测它是如何产生的，生物物理的限制是什么，以及它可能具有什么选择优势。“这就是这些原核生物变得非常有趣的地方，”普尔说。“如果它们表现出一些特征，甚至与我们在真核生物身上看到的特征略有相似，那么我们就可以从另一个角度来拓展问题和攻击:在什么条件下，分隔可能会带来一些好处?”还是说根本就没有任何好处?”
Dacks说，细菌病例“表明有多种方法可以做到这一点，而且这样做可能具有强大的进化优势。”
如图所示，anammoxosome是一种细胞器，它为细菌提供能量，就像线粒体为真核生物提供能量一样。尽管这两种细胞器功能相似，但它们的起源却完全不同。这当然似乎是与能源生产:anammoxosomes独立进化的一些种类的细菌和真核生物中线粒体标志的“能量代谢的划分有利于细胞,”劳拉·Niftrik说,荷兰内梅亨大学的微生物细胞生物学家研究anammoxosome。“在原核生物和真核生物中，你都能看到一种趋势，那就是为了更好地控制某些性状或功能，要把它们分成不同的部分。”
普尔想看看这种趋势是否会延伸到基因组信息的区域化。他说:“我们真的不知道为什么将遗传物质分隔开来是一个好主意，也不知道这是否是个好主意。”但通过在不同类型的生物体中——真核生物、普朗克体膜系统，甚至在巨型病毒中——进行研究，他认为，研究人员可以开始勾勒出划分的驱动因素，以及可能产生这种划分的条件。(至少，似乎存在一定的生物物理限制:例如，似乎需要一种特定的蛋白质融合来操纵细胞膜。)
这项研究不仅表明，生命之树的各个分支之间的划分比人们想象的更为普遍;这也表明，这种复杂性并不是引发真核生物进化所必需的关键创新。Komeili推测，在真核生物中，分隔作用并不一定是“需要打开的锁，才能给你带来更复杂的细胞”。因此，“它不需要以特定的方式来完成。”
相反，真核生物的特征很可能是一个长期的、渐进的趋势的一部分，正如鲁特在核孔复合体上的工作所证明的那样。“这向我们展示了逐步进化是可能的，”德沃斯说，“而不是从一无所有到一切的巨大爆炸式变化。”
通往答案的另一条路
一些研究人员正在走一条不同的道路。明尼苏达大学合成生物学家凯特·阿达玛拉和她的同事正在用一些基本的内部组织构建合成细胞。到目前为止，她说，“我可以告诉你很多不会产生细胞器的东西。其他人也在进行类似的项目，比如尝试制造只含有蛋白质成分的细胞。
Komeili和他的同事们希望利用他们对磁小体和其他细菌细胞器的研究，找出如何操纵细胞膜，并改变它们的功能，用于新的应用，包括识别肿瘤和清除有毒物质。
不过，与此同时，密歇根大学(UniversityofMichigan)的分子生物学家安东尼·维奇亚雷利说，“我教的是微生物学入门课程，我在课堂上要用的教材仍然说，细菌没有细胞器。”现在是“修正膜结合细胞器仅限于真核生物的教条”的时候了。但现在不再是这样了。”
考虑到所有的生命都是相互关联的——无论是在过去的进化中，还是在目前的共生关系中(想想人类肠道中的所有细菌)——这种对进化历史的新理解可以给我们提供更多关于我们来自何处的线索。至少，“人们开始意识到，环境中存在着更多的多样性，”Dacks说，“而那些美好而干净的故事已经不再适用了。”
