氮气是我们地球大气中占比最高的气体，氮也是生物所需的一种重要元素。人们很早就发现，一些生物能够充分利用有利条件，将大气中的氮气转化为可以利用的氨，这个过程也叫作“生物固氮”——非常形象的名字，就是把氮固定下来。

人们一直认为，只有细菌和古菌这样的原核生物可以进行生物固氮，甚至连教科书上都是这样写的。原核生物通常只有一个原核细胞。和这个概念相对应的是真核细胞，两类细胞的主要差异就是原核细胞有没有成型的细胞核，它也缺少那些被膜包裹着的细胞器。或者可以这么说，如果把细胞比作一座工厂，原核细胞这座工厂就要更“简陋”一点，许多专业化的车间也没有分隔开来。

然而在发表于《科学》杂志上的一项新研究中，一组国际团队有了一个可以改写教科书的发现。他们找到了第一个已知的真核细胞里的固氮细胞器。这个结构出现在一种单细胞海洋藻类里，被称为nitroplast。它还没有完全统一的中文名，有人称为“硝质体”或者“硝基体”。我们这里暂时称它为硝质体。

其实硝质体的发现是个很长的故事。时间退回十多年前，早在2012年，研究人员发现，海洋中的贝氏布拉藻（Braarudosphaera bigelowii）和一种叫作UCYN-A的细菌有着密切互动。UCYN-A似乎生活在贝氏布拉藻的细胞里或者它们表面，将氮气转化为藻类生长所需的化合物，比如氨。与此同时，它们也能从藻类中获得碳基能源作为回报。

你可能已经猜到了，这些和贝氏布拉藻密切“合作”的UCYN-A，其实就是我们刚刚说的硝质体。但此时，研究人员还认为，它们依然是独立的生物，而不是藻类细胞的细胞器，或者说藻类细胞内的一部分。事实上，区分它到底是生物还是细胞器，也不是件容易的事儿，还需要更详细地研究藻类细胞和UCYN-A之间的互动才行。

十多年后，时间来到去年3月，经过更详细的研究，科学家认为，在各种贝氏布拉藻中，UCYN-A和它们的宿主藻类之间的大小比例都很相近。他们利用模型发现，UCYN-A与和宿主细胞之间的营养物质交换，控制着两者的生长。这种生长速率上的同步，正是发生在细胞器身上的情况。

此时，在确认更多证据之前，研究人员依旧谨慎地将UCYN-A称为“类细胞器”。

在这项新研究中，研究人员进一步发现，UCYN-A会从宿主细胞中导入蛋白质，这是向细胞器转变的标志之一。可以这么理解，它们越来越“离不开”宿主细胞了，它们开始丢弃自己的DNA片段，基因组变得越来越小，依赖母细胞将这些基因产物或者蛋白质送到细胞中去。

研究人员借助软X射线层析成像术，观测了的贝氏布拉藻细胞分裂的情况。UCYN-A会和这种藻类细胞一起分裂，每个子细胞都会继承一个UCYN-A。此外，在大约2000种UCYN-A的蛋白质中，大概一半都来自藻类，而不是UCYN-A自己产生的。

这些宿主细胞制造了蛋白质，用特定的氨基酸序列标记它们。蛋白质被送往UCYN-A。然后，UCYN-A再将这些蛋白质导入并加以使用。许多被导入的蛋白质都能帮助UCYN-A固氮。这样以来，UCYN-A的固氮能力也得到了藻类“加持”，能产生更多氮。

这些证据都表明，UCYN-A的紧密程度已经完全超越了一个独立细菌和藻类的关系，而是进展成了一个可以固氮的细胞器，硝质体随之确认。

那么细胞器最初是怎么来的呢？

科学家很早就发现了一种常见的“互利互惠”的关系，被称为内共生，顾名思义，一种生物可以活在另一种生物的细胞里，两者共同生存。比如，像豌豆这样的豆科植物，它们的根部细胞就是内共生的固氮细菌的宿主。

虽然内共生关系可以变得非常密切，但绝大多数情况下，这些生物仍然相对而言泾渭分明。这也是为什么科学家一开始认为UCYN-A是一种内共生细菌。然而，在极少数情况下，内共生的细菌会与宿主细胞逐渐融合，成为宿主的基本组成部分。这种事件有多罕见呢？在硝质体发现之前，在整个生物进化的历程中，科学家所知的只有过三次。

第一次这样的事件带来了生物的线粒体，成了细胞的能量工厂，它的出现为更复杂生命的诞生创造了条件。大约10亿年前，类似的事件又创造了叶绿体，这让地球拥有了植物。大约6000万年前，另一种蓝细菌与一种变形虫“合二为一”，形成了一种不同的光合作用细胞器，被称为载色体。而新研究发现的这个固氮细胞器硝质体，就是我们所知的第四个通过内共生产生细胞器的例子。研究推断，硝质体可能是在大约1亿年前进化而来的。

这个惊喜的发现为科学家提供了一个全新的视角，也为海洋生态系统提供了新的洞见。从热带到北冰洋，UCYN-A无处不在，能从大气中固定大量的氮。

此外，这项发现也有可能改变农业。人们掌握了将大气中的氮合成为氨的能力，也就是著名的哈伯-博施法，让农业在20世纪初开始腾飞，带来了粮食的丰收。但与此同时，这个过程还产生了大量二氧化碳，大约1.4%的全球排放量也来自这个过程。

科学家一直在寻找一种更自然的固氮方法。硝质体的发现或许能为改造成农作物提供一些思路。但关于UCYN-A和藻类宿主之间还有很多谜团。研究人员计划更深入地研究UCYN-A和藻类的运作方式，看看还有多少惊喜等着我们。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者名称：沈雯

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划

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