乍一看，叠层石及其近亲微生物席可能看起来不过是些黑暗的古老岩石。实际上，它们是由微生物构建的密集、分层的群落。数十亿年前，在动物和植物出现之前，叠层石帮助向地球大气释放了最早的一些氧气。现在，发表在《当代生物学》上的一项研究表明，这些不寻常的结构可能还保存了地球历史上另一重大事件的线索：复杂生命的出现。

悉尼新南威尔士大学的进化微生物学家 Brendan Burns 副教授是一个研究团队的成员，该团队发现了一种以前未知的微生物，它与这些“活化石”内的另一种生物紧密共生。该项目与悉尼科技大学和墨尔本大学的研究人员共同领导，可能有助于科学家更好地理解一个基本的进化谜团：相对简单的细胞如何开始合作，并最终产生了更复杂的生命形式。

“叠层石可能不仅仅是早期微生物繁盛的‘摇篮’，”Burns 副教授说。“它们还可能告诉我们复杂生命最初是如何出现的。”

叠层石和微生物席在数十亿年前首次出现，但并未消失。它们至今仍在西澳大利亚的鲨鱼湾（世界遗产名录地）形成。在那里采集的样本最终使 Burns 副教授及其同事分离出一种阿斯加德古菌，这是一种不寻常的微生物群，被认为与真核生物（构成所有植物和动物，包括人类的细胞）的祖先密切相关。

生物学中一个长期存在的观点认为，第一个真核细胞是通过一种古老的古菌和一种细菌之间的亲密伙伴关系发展而来的。根据这一理论，一种生物最终吞噬了另一种，这种关系最终产生了线粒体，即复杂细胞内发现的生产能量的结构。然而，科学家一直缺乏直接证据表明这种早期伙伴关系可能是什么样子。这项新研究首次提供了视觉证据，表明一种阿斯加德古菌通过称为纳米管的极细管状连接与细菌进行物理相互作用。

“这可能是一个小模型，展示了这类伙伴关系如何开始并最终形成真核生物，”Burns 副教授说。

基因测序显示，这些生物的 DNA 存在于样本中，但让微生物在实验室中生长以便研究人员直接研究它们被证明要困难得多。“在实验室里花了四五年时间，”Burns 副教授说。“大量时间用于优化和追逐不同的影子。”阿斯加德古菌以难以在其自然栖息地之外培养而闻名。研究人员无法单独培养这些生物，Burns 副教授说，这一困难本身可能揭示了它们生物学的一些重要信息。“我们永远无法将这些生物纯培养，这可能是因为它们总是依赖其他生物生存，”他说。

研究人员最终使用电子冷冻断层扫描取得了进展，这是一种高分辨率 3D 成像方法，能够揭示百万分之一毫米尺度的结构。图像显示古菌和细菌通过细菌纳米管物理连接。研究人员还观察到古菌产生链状出芽囊泡以及复杂的管状结构。这两种微生物似乎在化学上互补，各自产生对方可以利用的化合物，包括维生素、营养物质和氢气。

合著者、墨尔本大学的 Debnath Ghosal 副教授说，直接捕捉到阿斯加德古菌和细菌之间的相互作用尤其重要。“这一发现使我们更接近理解这种共生关系如何可能导致了复杂生命的起源。”