今天我要写写梨形鞭毛虫，我很庆幸我没有亲身体验过。我的朋友们曾遭受过肠道梨形鞭毛虫感染，但他们并没有详述其中的细节。他们向我保证，这并不好受，而且会持续数月。然而，尽管近距离观察起来令人不适，但从安全的距离来看，梨形鞭毛虫是地球上最迷人、最神秘的生物之一。科学家们对这种单细胞寄生虫仍不甚了解，但一种可能性是，梨形鞭毛虫可能蕴藏着数十亿年前我们祖先进化过程中关键步骤的秘密。（内容在折叠下方）梨形鞭毛虫和我们一样，是真核生物。换句话说，它与包括动物、植物、真菌、黏菌以及许多其他生物在内的一组物种共享一些关键特征。最明显的特征是细胞核，真核生物将它们的 DNA 卷曲在其中。而细菌和古菌则不会以这种方式隐藏它们的基因。真核生物还有其他细胞器，它们在其中分解食物、制造新分子并产生能量。真核生物的基因组也很奇特。它们的基因被非编码 DNA 块所打断。为了制造蛋白质，真核细胞必须制作基因的 RNA 副本，并编辑掉所有这些额外的片段。真核基因也由大量的非编码 DNA 分隔。相比之下，细菌和古菌拥有简洁、紧凑的基因组。真核生物的起源仍然是进化生物学中最引人入胜的问题之一。目前还不清楚真核生物的前身是什么样子，或者它们是如何获得细胞核以及其他使它们与其他物种如此不同的特征的。没有一种非真核生物比其他任何物种更像真核生物。一些科学家一直在真核生物中寻找线索，试图绘制它们的进化树。最深的枝可能比新的枝更原始，尚未获得完整的真核生物特征包。许多研究人员怀疑梨形鞭毛虫是那些早期分化的真核生物之一。这种怀疑最初是通过简单地目测这些生物产生的。它们非常奇特。它们泪滴状的身体有八条鞭毛用于游泳，还有一个吸盘可以附着在肠壁上。它们还携带两个细胞核，每个都有自己的 DNA。梨形鞭毛虫如何协调所有这些基因——以及为什么它会有两个细胞核——仍然是谜。奇特的单细胞真核生物很容易找到。使梨形鞭毛虫与其他大多数真核生物区分开来的是它所缺乏的。科学家们找不到大多数真核细胞进行各种生化活动的大部分细胞器。最重要的是，它缺少线粒体。这些香肠状的结构内部发生着许多事情，最重要的是 ATP 的产生，ATP 是所有生物体都存在的能量载体分子。线粒体最初是自由生活的细菌，后来演变为真核细胞内永久的共生体。（线粒体仍然拥有自己的 DNA，这与一种自由生活的细菌类群有很强的相似性。）梨形鞭毛虫似乎缺乏线粒体这一事实表明它是一种过渡性真核生物。它的祖先在其他真核生物获得线粒体之前就分化了。这是一个很酷的想法，但科学家们最终发现了与之相悖的证据。虽然梨形鞭毛虫可能没有线粒体，但科学家们知道它有自己的奇特细胞器，现在称为线粒体微囊。经过大量研究，科学家们意识到，线粒体微囊实际上是退化的线粒体。虽然它们可能不再能够产生 ATP，但它们仍然执行其他线粒体功能，例如构建铁硫原子簇。退化线粒体的发现为梨形鞭毛虫在真核生物中的位置提供了另一种可能性。也许它并没有被冻结在时间里，而是一种高度进化的寄生虫。它的祖先获得了新的特征（如吸盘）用于寄生宿主，同时失去了它们不再需要的其他特征（完全成熟的线粒体）。换句话说，梨形鞭毛虫的线粒体微囊就像我们脊柱底部的尾巴残根。没有生物学家会因为我们缺少完整的尾巴就称我们为古代遗迹。一份良好的真核生物进化树可能有助于解开梨形鞭毛虫真实性质的谜团。但那棵树也带来了挑战。许多对真核生物 DNA 的研究都认为它们属于五个清晰的分支。例如，陆地植物与绿藻和红藻共享一个共同祖先。而我们与真菌的亲缘关系更近。但最近大多数对真核生物树的研究发现，这五个分支似乎都同时从树的基部爆发出来。可能科学家们还没有找到那些在其基因组中仍然保留进化线索的正确真核生物，从而揭示哪个分支与哪个分支最亲近。但也有可能，所有五个分支在数百万年的时间内，在一次快速的进化爆发中，从一个共同的祖先分离出来。无论哪种情况，真核生物树都还没有帮助科学家们弄清楚梨形鞭毛虫是遗迹还是尖端寄生虫。正是这些谜团——以及梨形鞭毛虫对我们肠道的恶劣影响——促使了梨形鞭毛虫基因组项目的启动。美国和欧洲的一个科学家团队对梨形鞭毛虫的全部 1170 万个碱基对的 DNA 进行了测序。在本周的《科学》杂志上，他们报告了他们的结果。
梨形鞭毛虫的基因组中潜藏着各种迷人的东西。在调查其 6470 个基因时，基因组团队对梨形鞭毛虫与其他真核生物相比之下的简单性感到震惊。我认为这张图尤其能很好地说明梨形鞭毛虫的简单性。顶部的图显示了当梨形鞭毛虫完成将基因从 DNA 复制到信使 RNA 分子时会发生什么。寄生虫在到达基因末端时必须截断 RNA 分子的末端。（这个过程被称为加尾聚腺苷酸化。）四种蛋白质（白色小圆圈）在 RNA 构建机器（此处标记为 RNAPII）到达基因末端时提供帮助。在梨形鞭毛虫蛋白质图的下方是一张显示酵母用于截断其 RNA 的蛋白质的图。虽然酵母和梨形鞭毛虫一样是单细胞真核生物，但与大多数真核生物相比，它更为典型。除了梨形鞭毛虫使用的相同四种蛋白质（标记为绿色）外，酵母还需要另外 20 种蛋白质来完成相同的任务。相同的任务，六倍多的蛋白质。如果你只看酵母（或人类）的加尾聚腺苷酸化复合物，你可能会认为它是一个奇妙复杂的系统，缺少任何一部分都无法运行。但事实证明，它在梨形鞭毛虫中仍然能够正常工作，而缺少了大部分蛋白质。新的基因组论文展示了其他几个案例，其中梨形鞭毛虫与其他真核生物做着同样的事情，只是使用的基因少得多。在这些情况下，个人怀疑论是无济于事的。这些简单的系统只使得关于梨形鞭毛虫进化历史的原始问题更加有趣。它简单的 RNA 截断系统代表了真核生物的早期进化，还是梨形鞭毛虫的祖先将一个复杂的系统简化到了最基本？有几种方法可以寻找答案。基因组团队选择了一种方法：利用他们关于梨形鞭毛虫 DNA 的新数据，绘制了一个新的真核生物树版本。他们得出结论，梨形鞭毛虫实际上是一种古老的幸存者。它位于真核生物历史上非常早期就分裂出来的一个分支的顶端。它的许多简单性归因于其祖先在许多真核生物的“花哨功能”进化出来之前就已经与其他真核生物分化了。但科学家们对这一结论非常谨慎。绘制真核生物树非常棘手，原因有很多。一个原因是科学家们试图重构发生在数十亿年前的事件。另一个原因是梨形鞭毛虫大约有 100 个基因是它的祖先在某个时候从远缘物种那里获得的。因此，科学家们承认梨形鞭毛虫可能最终会成为一个属于年轻得多的谱系的精简寄生虫。新一轮的测试，利用即将发布的其他真核生物的基因组，可能会证实梨形鞭毛虫的深层祖先。与此同时，药物开发者可能想看看科学家们确定的与梨形鞭毛虫作斗争的几个潜在靶基因。我知道有些人如果能快速治愈梨形鞭毛虫，可能会更耐心地等待。
