莫诺湖是一个令人惊叹但又无情的栖息地，水中盐分和砷含量较高，仅能支持盐水虾、碱蝇等生物，几乎没有其他生物。最近，研究人员发现了一种意想不到的居民——一种名为孔鞭虫的微生物，它形成了拥有自己独特细菌微生物群落的群体。这种生物与所有动物的共同祖先有关，可能为揭示动物与细菌之间的进化联系，以及多细胞生物是如何出现的提供宝贵的见解。
位于东塞拉内华达山脉的莫诺湖因其引人注目的钙华形成、丰富的盐水虾和成群的碱蝇而闻名，所有这些生物都独特地适应了受砷和氰化物污染的咸水环境。
来自加州大学伯keley分校的研究人员在湖泊的咸浅水区中发现了另一种奇特生物——一种可能揭示超过6.5亿年前动物生命起源秘密的生物。
这种生物是孔鞭虫，一种能够繁殖并形成复杂多细胞群体的微小单细胞生物，类似于动物胚胎的发展。尽管它不被归类为动物，但它是一个近亲，因此成为理解从单细胞到多细胞生命转变的重要模型。
有趣的是，它拥有自己的微生物群落，成为第一个已知的维持与细菌稳定生物关系的孔鞭虫，而不仅仅是消费细菌。这使它成为已知维持微生物群落的最简单生物之一。
“关于孔鞭虫还有很多需要了解的；我们只能通过理解它们的生态来获得许多引人入胜的生物现象的见解，”加州大学伯keley分校分子与细胞生物学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员妮可·金表示，她研究孔鞭虫以重现古代海洋中早期生命的样子。
孔鞭虫通常只能在显微镜下观察，常常被水生生物学家忽视，因为他们更倾向于研究体型较大的动物或可见的藻类和细菌。然而，它们的生物学和生活方式可以为早期的水生生物提供线索，这些生物先于动物的出现并最终导致了动物的进化。这种特定物种可以照亮动物与细菌之间关系的开端，这种关系最终塑造了人类的微生物群落。
“动物在充满细菌的海洋中进化，”金指出。“考虑到生命的树，所有存活的生物都通过进化历史联系在一起。通过检查今天的生物，我们可以重建过去的事件。”
金和她来自加州大学伯keley分校的团队记录了这一生物，并在《mBio》期刊上发表的论文中将其命名为Barroeca monosierra，该论文于8月14日在线发布。
一个惊人的群落
差不多十年前，当时的研究生丹尼尔·里希特在东塞拉内华达山脉的一次攀登探险中带回了莫诺湖的水样。在显微镜下检查时，他发现了一个充满活力的孔鞭虫群落。除盐水虾、碱蝇和各种线虫物种外，几乎没有其他生物在湖泊的恶劣条件下被记录。
“瓶子里装满了大型美丽的孔鞭虫群落，”金说。“它们是我们见过的最大的一种。”
这些群落呈空心球状，由将近100个相同的孔鞭虫细胞组成，随着每个细胞用其鞭毛推动自己而旋转和移动。
“一个有趣的方面是，这些群落类似于原肠胚——在动物发育早期形成的细胞空心球，”金指出。“我们希望进一步研究。”
然而，那时金正忙于其他孔鞭虫物种，而莫诺湖的样本被冷冻保存，直到一些学生复苏并染色以检查其异常的甜甜圈状染色体。令人惊讶的是，在这个空心群落中发现了DNA，而此处并不应存在细胞。研究生凯莉·哈克后来确认这些是细菌。
“细菌的存在是一个惊人的意外。真是令人着迷，”金表达道。
哈克还发现了名为细胞外基质的连接结构，这些是由孔鞭虫分泌的。
然后，哈克和金想到，这些可能不仅是孔鞭虫所消费的细菌残骸，而是生存在群落中并以群落分泌物为食的细菌。
“以前没有人报告过孔鞭虫与细菌之间存在稳定的物理互动，”她表示。“在早期的研究中，我们发现孔鞭虫会对水中漂浮的小细菌分子做出反应，或者在消费这些细菌，但从未观察到像这样的潜在共生关系或微生物群落。”
金与开创性的宏基因组研究员、加州大学伯keley分校环境科学、政策和管理，以及地球和行星科学教授吉尔·班菲尔德合作，以识别湖水中及孔鞭虫内的细菌物种。宏基因组学可以对环境样本中的所有DNA进行测序，从而重建其生物的基因组。
一旦班菲尔德的实验室找到了莫诺湖中的甲烷细菌，哈克便形成DNA探针来检查哪些也存在于孔鞭虫中。金指出，细菌种群之间存在差异，表明某些细菌已更好地适应于孔鞭虫群落的缺氧环境。哈克得出结论，这些细菌并不是偶然出现的；它们正在繁荣和繁殖。金推测，它们可能是逃避池塘的毒性环境，或者也许孔鞭虫培育它们为食物。
她承认，这些大多仍是猜测。未来的实验应该揭示细菌与孔鞭虫之间相互作用的性质。她实验室之前的研究表明，细菌可以作为孔鞭虫交配的刺激物，并且可以鼓励单细胞孔鞭虫聚集成群落。
对于金来说，来自莫诺湖的孔鞭虫将作为研究进化的另一个模型系统，类似于她目前关注的加勒比海库拉索岛上的孔鞭虫，以及极地地区的孔鞭虫。从莫诺湖获得更多样本可能会面临挑战；在最近一次访问期间，仅有100个样本中的六个包含这些生动的微生物。
“我相信，对于莫诺湖中微生物生命的发现还有很多，因为这对于理解生态系统至关重要，”金说道。“我对B. monosierra作为探索真核生物与细菌之间相互作用的新模型感到兴奋。我希望它能提供关于进化的见解，但不管怎样，这都是一个引人入胜的现象。”
除了金、班菲尔德、哈克和里希特，论文还包括来自加州大学伯keley分校的合著者、前博士生帕特里克·韦斯特、电子显微镜师肯特·麦克唐纳，以及博士后研究员荷塞安·雷耶斯-里维拉和阿兰·加西亚·德拉斯·巴约纳斯的贡献。此次研究得到了霍华德·休斯医学研究所和国家科学基金会的支持。
