首个被发现不用呼吸的动物：形似长着外星人“眼睛”的蝌蚪

这次研究新发现的鲑生粘孢虫看起来有着外星人一样的“眼睛”丨Stephen Douglas Atkinson

此前的研究认为，线粒体与呼吸作用是所有动物赖以生存的基础。但现在，这句话可能要被《美国科学院院刊》上的最新研究改写了，因为科学家发现了一种没有线粒体、不需要呼吸的动物。它们不仅在演化过程中丢掉了神经和肌肉细胞，如今连线粒体已经成为了它们的负担。

撰文丨杨心舟

呼吸与线粒体

从宏观上来说，呼吸代表着氧气进入生物个体体内的过程。但在微观的细胞世界中，呼吸通常代表着能量产生过程，呼吸作用包括无氧呼吸和有氧呼吸。前者通常会发生在酵母和一些厌氧性细菌中，在肌肉细胞缺氧情况下，人体也可以发生无氧呼吸产生乳酸。但是，这一过程释放能量的效率并不算太高。
而有氧呼吸对于多细胞生物来说是不可或缺的，相比于无氧呼吸，其效率更高，并且释放的能量也高很多。细胞通常会利用葡萄糖作为能量来源，而氧气就更像一种中介物，协助完成有氧呼吸。有氧呼吸的最后一步需要氧气接收电子，来释放出代谢产生的ATP。 如果缺少了氧气，多余的电子会逐渐在细胞内累积，并导致电子转运链停滞，ATP也无法正常产生。这对多细胞生命来说是致命的。

图丨Feinberg School of Medicine

而完成这一精密程序，保证复杂细胞生命正常运转的细胞器就是线粒体。 线粒体至今仍保留着绝大部分和有氧呼吸相关的DNA，并且这一套DNA是独立于细胞核基因组存在的。 科学界推测，这种独特的细胞器在20亿年前也是一种细菌，在被真核生物吞噬后，两者达成了一种互利共生的状态。而细菌也逐渐演化成了今天所见的线粒体，负责帮助将食物和氧气转变成细胞可用的能量。
线粒体对于依赖有氧呼吸生存的多细胞生命来说，的确是不可或缺的伙伴。但是生存在低氧环境的生物，它们对线粒体的需求似乎就没有那么大了。研究曾推测这些生物体内的线粒体会逐渐转变成线粒体相关细胞器（MRO），逐渐丢失线粒体基因，甚至最后完全在体内移除线粒体。

寻找没有线粒体的生物

早在2016年，发表在《当代生物学》的一项研究就首次发现了没有线粒体的真核生物，当时来自捷克和加拿大的合作团队从动物身上分离获得了一种微生物，但是基因测序结果显示这种微生物没有编码线粒体蛋白的基因。
这种被称作类单鞭滴虫（Monocercomonoides）的生物长期生存在低氧环境中，而它们在进化树上的祖先本身是含有线粒体的，这说明它们在演化过程中丢失了线粒体。取而代之的是，它从细菌身上获得了另一种替代线粒体的细胞溶质硫动员系统。
在该研究之前，许多科学家都在追寻没有线粒体的真核生物，包括植物、动物、真菌还有原生生物。当时，研究的作者Karnkowska认为像类单鞭滴虫一样，还有很多原生生物没有线粒体。在他看来，真核生物的生命力要远比我们想象的强很多。
Karnkowska的想法并没有错，因为最近发表在《美国科学院院刊》上的研究，甚至超越了他当时局限于原生生物的预测，首次找到了没有线粒体的动物。当然，这种动物不像我们平时所见的一样拥有庞大的个体，而是一种依赖鱼类生存的寄生虫。它有着奇特的外形，类似一只蝌蚪，并且头部还有着像外星人一样的“眼睛”。
研究人员在检测寄生的粘体动物（Myxozoans）下各个种属的生物时，意外地发现了其中有一种被称作鲑生粘孢虫（Henneguya salminicola）的种属没有线粒体基因组。由于在基因测序中没有发现其对应的线粒体基因，这就意味着它们根本没有线粒体。

从种属关系上来看，鲑生粘孢虫算得上是水母的远亲，两者都属于刺胞动物门（也被称作腔肠动物门）。尽管鲑生粘孢虫在漫长的演化过程中丢失了神经细胞、肌肉细胞，但它们仍然是一种多细胞生命，比如看起来像外星人眼睛的就是两个 刺细胞，这种细胞能帮助鲑生粘孢虫在接近宿主的时候，牢牢吸附上去。

演化的决定

至于为什么鲑生粘孢虫最终变成了没有线粒体，研究推测这应该和它的生活环境有关。它本身的生物行为其实就与寄生虫一样，平时在水里自由地游荡，而主要的生命周期分别在 两种寄主中完成。一种是鱼类，尤其是鲑鱼；而另一种是环节类蠕虫。
在寄生环境下，氧气成了一种奢侈品。于是在漫长的演化过程中，它逐渐放弃了需要用氧气提供能量的线粒体。这在演化上其实是一种必然的结果，当线粒体无用时，身体不仅需要消耗身体额外的能量来制造它和维持运转，却又得不到任何好处，这对于生物来说极其不划算的，那么逐渐摆脱这种负担就是最好的选择。

从演化的角度来说，生命都倾向于变得更加复杂，能力变得更加多样化。但鲑生粘孢虫也让我们看到，并不是所有生命都是这么想的，在这些动物眼中，复杂更像是一种负担， 在它们的寄生任务上不需要复杂化与多样化。神经和肌肉是多余的，线粒体同样成了非必需品。就这样，鲑生粘孢虫逐渐变得和单细胞生物一样。对此，论文的通讯作者Dorothée Huchon也感到非常惊讶，他表示，“鲑生粘孢虫丢掉了几乎所有东西，现在连呼吸能力也不需要了。”
其实在此次新研究中，作者还检测了其他的粘体动物，比如Myxobolus squamalis。作为鲑生粘孢虫近亲，这种粘体动物却又拥有线粒体基因。研究目前还不清楚鲑生粘孢虫为何如此独特的原因。
而鲑生粘孢虫究竟是怎样在没有线粒体的情况下存活下来的。Huchon推测 它们可能有一种还没有发现的系统和能力，能够直接从宿主体内获得ATP，以此来满足自己的能量需求。但究竟它们是如何精妙地完成这一过程，还有着更多的未知等待科学家去发现。就像Karnkowska说的一样，真核生物的生命力要远比我们想象的强很多。

原始论文： A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome https://www.pnas.org/content/early/2020/02/18/1909907117

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