來源：環球科學 

　　細胞中，一個“病毒工廠”（圖中左側大而圓的結構）被其生產出來的新病毒顆粒（若干小多邊體）包圍。這種病毒工廠是病毒構建的，可以將病毒DNA與宿主隔離開來。（來源：Quanta Magazine； 原始顯微照片： Masaharu Takemura）

動物、植物、真菌和原生動物的細胞各不相同，不過它們都有一個顯著的共同特徵：細胞核。雖然它們還有其它細胞器，比如產生能量的線粒體，但是細胞核作爲一種清晰可辨、包含遺傳物質的有孔囊袋狀結構，於1925年啓發生物學家埃德·查頓（Édouard Chatton）創造了“真核生物”這一術語，用來指代具有“真正內核”的生物。他把其餘生物稱爲“原核生物”，表示“有核之前的”生物。這種劃分有核和無核生物的二分類方法隨後成爲了生物學的基礎。

現在沒人確切地知道細胞核是如何演化成胞內一個關鍵區域的。然而，越來越多的證據使研究人員認爲細胞核或許和線粒體一樣，起源於一種共生關係。但關鍵的不同之處在於，帶來細胞核的可能不是一個單獨的細胞，而是病毒。

“有關我們是什麼，或者說真核生物是什麼的問題，或許是一種所謂湧現複雜性的典型案例，”酵母生物技術公司MicroBioGen的研究主管菲利普·貝爾（Philip Bell）解釋說。貝爾早在2001年就提出了真核生物細胞核的病毒起源學說，並在2020年9月更新了這一理論。“三種有機體聚集在一起組成了一個新的共同體，它們融合得如此之好，以至於實際上形成了一種新的生命形式。”

他和其他研究人員從一些發現中更加堅信了這一推論，例如，他們證明巨病毒在原核細胞內建立了“病毒工廠”——一些很像細胞核的隔室，它們分開了轉錄（讀取基因）和翻譯（構建蛋白質）過程。“我認爲這是目前最有說服力的模型，”他說。

大多數研究真核生物起源的人可能不同意他的觀點；有些人仍然將其描述爲一種邊緣想法。但病毒起源學說的支持者指出，近來的一些發現同樣能支持該模型，而且他們相信有利於這種假說的決定性證據已經觸手可及。

禮物還是騙局？

科學家們普遍認爲真核生物最早出現在25億年至15億年前。有證據表明，當時，一種細菌寄生到另一種原核生物——古細菌內，併成爲了它的線粒體。但是，細胞核的出現卻是一個更大的謎團：甚至沒有人知道那個原始的古細菌是否已經是一種有核的原真核生物（proto-eukaryotic cell），亦或細胞核是否在更晚纔出現。

任何關於真核生物細胞核起源的理論都要能解釋它的若干特徵。首先是其結構性質：細胞核的外膜和存在一層由纖維組成的網絡結構的內膜，以及連接其內部和細胞其他部分的核孔。另外，還有它將基因的表達限制在其內部，而將蛋白質的構建留在外面的奇怪方式。而一個真正有說服力的起源理論還必須解釋爲什麼細胞核會存在——是什麼演化壓力促使這些古老的細胞把自己的基因組圍了起來？

在過去一個多世紀的大部分時間裏，關於細胞核起源的猜想不能回答上述任何一個問題。但在21世紀初，兩位研究人員獨立地提出了細胞核來源於病毒的觀點。

彼時還是名古屋大學研究助理的武村政春（Masaharu Takemura），在DNA聚合酶（細胞用來複制DNA的酶）的生化研究中，對它們的演化過程產生了興趣。“我對真核生物、細菌、古細菌和病毒的DNA聚合酶進行了演化系統發生分析，”現爲東京理科大學分子生物學和病毒學家的武村在一封電子郵件中回憶道。他的分析表明，有一類病毒（痘病毒）的DNA聚合酶與真核生物中一種主要的聚合酶驚人地相似。他推測，這種真核生物的酶或許起源於某種古老的痘病毒。

顯微鏡下一隻感染了水母病毒的變形蟲發出的熒光。病毒DNA（粉紅色）與變形蟲的DNA（藍色）處於分離狀態。（來源：武村政春）

武村已經知道痘病毒會在它們所感染的細胞內創建一個隔室，並在其中製造和複製病毒。這些事實合起來讓他建立一種理論：真核細胞的細胞核產生於這些原始的痘病毒隔室。2001年5月，他在《分子進化雜誌》上發表了該理論。

與此同時，貝爾也因爲不同的原因得出了類似的結論。20世紀90年代初，還是研究生的他對細胞核的起源理論產生了興趣，尤其是那些認爲細胞核和線粒體一樣，可能是從內共生體演化而來的想法。“看了五分鐘，我就說，‘天啊，如果是內共生體，那就不是細菌性的內共生體’，”他回憶說。他覺得，細菌和真核生物基因組之間有太多的不同，比如真核生物的染色體是線性的，而細菌的染色體往往是圓形的。

但當他研究病毒基因組時，他發現痘病毒和真核生物的基因組結構之間有着驚人的相似之處。“我花了9年時間才發表了第一版模型，”他指出。然後他反反覆覆花了18個月的時間，纔在《分子進化雜誌》上發表了論文。。。。。。不過比武村論文發表晚了4期。

近20年後的今天，武村和貝爾都獨立地更新了他們的假說。武村的修改版本於2020年9月3日在線發表於《微生物學前沿》，貝爾的則於2020年9月20日發表於《病毒研究》。“他又搶在了我前面，”貝爾笑着說。

兩位科學家都引用了近來發現的一種非同尋常的“巨病毒”，這是他們修正論文的主要原因之一。當武村和貝爾發表他們最初的假說時，這些病毒還沒被發現。它們的基因組有超過一百萬個鹼基對，在大小上可與那些自主生長的小型細菌相匹敵，而且它們攜帶了一些基因，可以編碼參與細胞基本過程的蛋白。（有一些證據表明，真核細胞中的上述蛋白來自這些病毒。）

但最重要的是，這些巨病毒在宿主細胞的細胞質中複雜的、自建的隔室內進行復制，這就是爲什麼這些病毒和痘病毒一樣，被歸類爲核質巨DNA病毒（NCLDVs）。巴黎巴斯德研究所的進化生物學家帕特里克·福特雷（Patrick Forterre）認爲，對於這些巨病毒來說，它們製造的隔室是“與真核細胞核一樣大的病毒工廠”。更令人驚訝的是，NCLDVs製造出的感染真核細胞的病毒工廠也有像細胞核一樣的內膜和外膜。福特雷、武村和貝爾均認爲巨病毒就是細胞核的起源。

根據福特雷的說法，巨病毒演化成細胞核有兩種可能的方式。“要麼是病毒工廠變成了細胞核，要麼是原真核細胞。。。。。。借鑑病毒的做法，把自己變成病毒工廠以保護染色體，”他說。

武村認爲後者的可能性更大：病毒更可能是無意間爲細胞核的產生作出了貢獻，它既刺激了古細菌建設屏障保護遺傳物質，又是構建屏障所需的一些基因的來源。

細胞的一種可能起源方式：病毒在原生生物細胞中構建了“病毒工廠”，開始竊取宿主的基因。而宿主學習了“病毒工廠”的模式，自己也建立了一個隔室，把自己的DNA和外界分離開來。

根據他的假設，很久以前，一種巨大的病毒構建了一個病毒工廠，封閉了自己的基因組，但同時也封閉了宿主古細菌的基因組。但與大多數被感染的細胞不同，這個宿主成功地竊取了病毒的築障技巧，並構建了自己的隔室——它可以保護自己的基因組不受病毒攻擊。隨着時間的推移，這個半永久性的屏障演變成了我們所知的細胞核。

貝爾更傾向於病毒工廠直接成爲細胞核的方式，因爲這個過程更接近於如今已知的感染原生生物的病毒行爲。“它們更像是《天外魔花》（Invasion of the Body Snatchers），”他說。

他認爲，巨病毒感染了古細菌，並建立了一個病毒工廠，但並沒有殺死其宿主細胞。相反，這種結構延續了下來。“然後，病毒作爲一個基因大盜，偷走了古細菌的基因，並完全摧毀了它的基因組，”他解釋說。這是病毒的一個共同特點，特別是巨病毒——它們從宿主那裏竊取基因，這使得它們不再那麼依賴宿主。這種理論甚至可能用來解釋爲什麼如此多線粒體基因轉移到了細胞核中：“多年來，細胞核也在一直在從線粒體中竊取基因，並開始控制它。”

所以從某種程度上來說，“病毒只是把古細菌當做大衣穿了起來，”貝爾說。他指出，如果這個模型是正確的，“你可以說每個人體細胞的核心都是一個病毒”。

有爭議的起源

自從武村和貝爾的早期的論文發表以來，一些發現與細胞核起源於病毒的觀點相吻合。例如，科學家們發現了巨病毒家族樹的所有分支，拓寬了我們對它們演化的理解，特別是它們與宿主交換的重要基因——在某些情況下，它們竊取了這些基因，又重新還給了細胞。

此外，2017年，研究人員還發現了一種病毒，它在細菌宿主體內構建了一個病毒工廠。在此之前，似乎只有感染真核生物的病毒能製造病毒工廠。因此，在原核生物中發現病毒，說明很早之前可能就發生了類似的過程，並導致了細胞核的產生。

就2017年發現的這個病毒而言，“這種類似細胞核的結構不是以膜爲基礎的，”武村說，這使得它與許多病毒工廠和真核細胞核不同。不過，他還是覺得，病毒能在原核細胞內圍繞其基因組構建保護性的隔室，“強有力地表明，在古老的真核細胞中。。。。。。病毒（可能）製造了同樣的隔室”。

圖示擬菌病毒爲幾年前才發現的一種巨病毒。（圖片來源：JP Baudoin and D Brahim Belhaouari， IHU Mediterranee Infection）

就在2020年，研究人員在冠狀病毒製造的雙層膜病毒工廠中發現了孔隙，這些孔隙奇怪地讓人聯想到細胞核上的核孔。威斯康星大學麥迪遜分校的演化生物學家戴維·A·鮑姆（David A。 Baum）在一封電子郵件中寫道：“如果這個結果成立，並且假設形成孔隙的蛋白質不是來自真核生物的基因組，那麼它確實能成爲應對反病毒模型的依據。”

不過，鮑姆並不認爲病毒與細胞核的起源有關。對他來說，這個想法只會讓事情變得更復雜。他寫道：“細胞核產生的過程中有什麼困難需要病毒來解決呢？”

鮑姆和他的表弟、倫敦大學學院的細胞生物學家巴茲·鮑姆（Buzz Baum）一起提出了一個不同的假說：細胞核其實是早期古細菌外膜的殘餘物。本質上講，他們認爲一個早期古細菌開始通過這些探索性的膜泡接觸周圍的世界，並與細菌產生聯繫。隨着時間的推移，這些膜泡不斷增長，直到它們再次融合到一起——產生了新的外膜和內膜褶皺，並催生了其他細胞內隔室。“已知與真核生物親緣關係最近的生物具有廣泛的細胞外突起”，它們與原核生物相互作用，戴維指出，“與我們提出的模型驚人地相似”。

至於有些證據顯示，病毒給予了真核生物一些最重要的核蛋白，他最擔心的是難以確定這一過程的方向性。“病毒是最貪婪的小偷，”他說，所以它們不斷地從宿主那裏獲取基因。“我認爲我們必須非常謹慎地確定是否已經發現了病毒和真核生物之間的相似之處。我們尚不清楚是它們把基因給了真核生物，還是真核生物給了它們。”

巴黎—薩克雷大學的微生物生態學家、法國國家科學研究中心的科研主任普瑞菲卡西翁·洛佩斯-加西亞（Purificación López-García）同樣不相信真核生物依賴來源於病毒的蛋白。她說：“根本沒有證據表明病毒與細胞和細胞核之間存在任何同源關係”。

然而洛佩斯-加西亞也不同意鮑姆表兄弟提出的膜泡模型。她和同事認爲真核生物並不是起源於那個吞噬了細菌（後來成爲線粒體）的古細菌。相反，在他們看來，因爲發生了更早的共生事件，古細菌已生活在一個更大的細菌內部。“因此，在我們的模型中，細胞核來自這個古細菌，而細胞質則來自細菌。”她解釋說，這個二重模型包含了未成形的線粒體。

但武村說，這些假說是有缺陷的，因爲它們充其量只能 “解釋細胞核的出現”，它們缺乏演化上的邏輯，無法解釋爲什麼基因組要被框起來，以及爲什麼製造蛋白質的部件被排除在外。這也是貝爾所堅持的一個觀點：他認爲其他任何假說都不能解釋爲什麼轉錄和翻譯過程會分離開來。

病毒起源是最合理的，而且有最有力的證據，福特雷說。“我認爲他們的理論並不一定嚴謹，”他在談到那些反對者的理論時說，“病毒在這個理論中扮演了重要角色。”

靜候新發現

要說服像鮑姆表兄弟和洛佩斯-加西亞這樣的科學家接受福特雷的觀點，還需要更多的證據。但20年來的技術進步，或許終於讓這種證據觸手可及了。

就在2020年，來自日本的研究人員宣佈，經過十多年的努力，他們終於分離並培養出了洛基古菌（Lokiarchaeota）——一種被認爲與原始真核生物是共生關係的古細菌。這可能會讓我們進一步發現感染我們遠親的病毒，以及感染的過程。

戴維說：“如果你發現一類新的病毒感染洛基古菌，進入細胞內部在那裏安營紮寨，並開出小孔以促進轉錄信息快速流入細胞質——這將是更令人信服的證據，”它將可以證明細胞核來自病毒。

貝爾指出，研究人員最近對發現了洛基古菌的深海沉積物中的大量巨型病毒進行了測序。他希望有人能測試其中是否有病毒能夠感染古細菌，如果有，它們是否能建立類似於核質巨DNA病毒所製造的病毒工廠。他說，證明這一點將“結束這場遊戲”。武村也希望這種病毒確實存在。“發現能在古生物細胞中構建有膜且類似細胞核的結構的古細菌病毒，將是細胞核起源於病毒的最有力證據，”他說。

在掌握這種非凡的證據之前，細胞核起源於病毒的理論可能仍具有爭議。但即使它最終沒有得到學界認可，對該理論的每一次檢驗都會一點一點揭示出我們過往的演化歷程——也正因如此，我們越來越接近“我從哪來”的真相。