生命的起源和演化一直是科学界最为关注的重大课题之一。真核细胞作为生命体系的重要组成部分，其复杂的细胞结构和功能特征使得科学家们对其起源充满好奇。传统观点普遍认为，真核细胞源于古菌与细菌的共生融合，但具体的细胞复杂性如何形成，依然存在诸多未知。2017年，科学家们通过研究一种名为阿斯加德（Asgard）古菌的微生物，揭示了真核细胞复杂性的起源，为理解生命进化史提供了新视角。 阿斯加德古菌是一类新发现的古菌超门，包含Lokiarchaeota、Thorarchaeota、Odinarchaeota和Heimdallarchaeota等多个分支。这些生物体从未被培养过，只能通过环境中采集的DNA进行基因组重建和分析。
令人惊讶的是，阿斯加德古菌的基因组中含有大量此前只在真核生物中发现的蛋白质编码基因，这些蛋白质参与细胞骨架构建、膜系统运输和复杂的细胞信号传导，为真核生物复杂细胞功能的进化提供了分子基础。 在古菌与真核生物的演化关系中，阿斯加德古菌的发现填补了长期存在的“演化鸿沟”。基于系统发育分析，阿斯加德古菌与真核细胞在基因水平上显示出紧密关系，支持了真核细胞起源于古菌的观点。尤其是Lokiarchaeota被认为是与真核生物最为亲近的亲缘古菌，它们的基因组携带丰富的真核特异性蛋白质（ESP），这些蛋白质与真核细胞膜流转系统的组成部分高度同源。 膜流转系统是维持真核细胞结构与功能的重要机制，包括内质网、核膜、高尔基体及多种膜泡结构。这一系统的形成代表了真核细胞复杂性的核心。
科学家们在Thorarchaeota基因组中发现了多种与真核膜流转相关的蛋白质同源物，例如Sec23/24及TRAPP结构域蛋白，这些蛋白质参与了膜泡的产生与运输过程。此外，一些与真核细胞膜包被蛋白相关的基因也在阿斯加德古菌中得到了鉴定，表明膜结构和运输机制在真核细胞出现之前，古菌祖先中就已具备初步的细胞复杂性。 另一个重要发现是，阿斯加德古菌基因组富含小型GTP酶家族的成员，这类蛋白在真核生物中参与信号转导和膜运输，调控细胞骨架动态变化。其丰富的GTP酶谱系暗示古菌祖先具有发达的细胞骨架系统，这对细胞形态和内部组织的复杂调控至关重要。与此相对应，Odinarchaeota也发现了类似真核细胞微管构成蛋白的同源序列，提示这些古菌具有促进细胞形态变化和分裂的潜力。 基于这些基因组发现，研究人员提出了关于真核细胞起源的新模式。
真核细胞可能是在拥有许多复杂蛋白质组分的古菌祖先与一个来自α-变形菌的细菌内共生体融合后形成。这个融合事件不仅带来了细胞内能量代谢的创新（即线粒体的起源），也使得细胞结构和功能得以显著复杂化。阿斯加德古菌的研究强调，真核细胞的复杂性并非突然出现，而是在古菌系中逐步积累的结果。 环境样本的全球采集是阿斯加德古菌研究取得突破的基础。这些古菌分布广泛，从深海热泉到淡水和陆地水体的底质均有其身影。通过高通量测序和先进的基因组组装技术，科学家们得以从混合的环境基因组中提取并拼接出这些难以培养微生物的完整基因组序列。
随后，基于基因预测与功能注释，揭示其独特的蛋白质组合和分子机制。 阿斯加德古菌的研究不仅深化了我们对真核细胞起源的认识，也刷新了生命树的结构。传统生命树通常分为细菌、古菌和真核生物三大域，但越来越多的研究支持真核细胞起源于古菌域，特别是阿斯加德群体的祖先。由此，生命的主流谱系被重塑为两大域，即细菌和包含古菌及真核生物的另一域，这对于理解生命多样性和进化过程具有重要理论意义。 同时，阿斯加德群体展示了许多被称为真核特征蛋白（Eukaryotic Signature Proteins, ESPs），如涉及泛素-蛋白酶体系、细胞骨架构建、细胞内膜运输和蛋白折叠的相关蛋白家族。这一发现说明古菌的遗传系统本身就具备复杂细胞功能的“种子”，为后来真核细胞的功能演化奠定了基础。
例如ESCRT系统相关基因在Archaea和真核生物中均有保存，说明这一系统在细胞膜塑形和囊泡生成中扮演古老而重要的角色。 研究阿斯加德古菌不仅增强了对单细胞生命复杂性的认识，也对生物技术和医疗领域打开新思路。理解真核细胞复杂机械的起源，有助于揭示多细胞生命的形成机制，甚至可以为合成生物学开发更高效的细胞工厂。同时，研究这类新型古菌资源，也为环境微生物利用及地球生态系统稳定性提供理论基础。 虽然阿斯加德古菌的细胞形态学信息仍不丰富，因其难以培养获得详尽观察数据，目前主要依靠基因组和蛋白质组分析进行功能预测，但这些分子信息已足够显示出它们与真核生物之间紧密的演化联系。未来，若能够培养出相关物种或通过高分辨率显微技术捕获其细胞结构，将使这一领域研究更为深入。
总的来说，阿斯加德古菌的发现不仅为真核细胞复杂性的起源提供了突破性证据，还重新定义了古菌与真核生物之间的关系。它们庞大且独特的蛋白质库揭示了早期细胞结构复杂化的分子基础，支撑了真核生物细胞复杂功能渐进演化的理论。未来，随着基因测序技术和环境微生物学的进步，更多未知古菌及其演化功能可能随之揭晓，进一步丰富我们对生命起源与进化的理解。
