科學家捕捉了億萬年一遇的進化事件，兩種生命形式合併成一種生物，其能力令同類羨慕不已。上一次發生這種情況時，地球上有了植物。這種現像被稱為原生共生（primary endosymbiosis），是指一種微生物體吞噬另一種微生物體，並開始像使用內臟器官一樣使用它。作為交換，宿主細胞為共生體提供營養、能量、保護和其他益處，直到最後共生體無法再獨立生存，最終成為宿主的一個器官–也就是微生物細胞中所謂的細胞器。

布拉魯德磷藻（Braarudosphaera bigelowii ）吸收了一種名為UCYN-A 的藍藻，這可能是生物進化向前邁出的一大步

細胞粒線體示意圖美國國家人類基因組研究所

在地球上長達40 億年的生命史中，據我們所知，原生共生只發生過兩次，而每一次都是演化史上的巨大突破。第一次發生在大約22 億年前，當時一個古細菌吞下了一個細菌，成為粒線體。這種專門生產能量的細胞器基本上使所有複雜的生命形式得以進化。時至今日，它仍被譽為”細胞的動力之源”。

第二次發生在大約16 億年前，其中一些更先進的細胞吸收了能從陽光中獲取能量的藍藻。這些藍藻變成了被稱為葉綠體的細胞器，使植物這種你可能聽說過的生命形式具備了收集陽光的能力，並呈現出迷人的綠色。

顯微鏡下的活苔細胞，顯示其葉綠體（綠色圓圈） Des_Callaghan/CC BY-SA 4.0

現在，科學家發現，這種情況又出現了。科學家發現，一種名為布拉魯德磷藻（Braarudosphaera bigelowii）的藻類吞食了一種藍藻，這種藍藻能讓藻類和一般植物做一些它們通常做不到的事情–直接從空氣中”固定”氮，並將氮與其他元素結合，創造出更有用的化合物。

氮是一種關鍵的營養物質，植物和藻類通常是透過與細菌的共生關係來獲得氮的，但兩者是分開的。起初，人們認為比格洛藻與一種名為UCYN-A 的細菌建立了這種共生關係，但仔細觀察後，科學家發現兩者的關係要親密得多。

在最近的一項研究中，一個研究小組發現，在不同的相關藻類物種中，藻類和UCYN-A 之間的大小比例保持相似。它們的生長似乎受養分交換的控制，從而導致新陳代謝的關聯。

研究報告的作者喬納森-澤爾（Jonathan Zehr）說：”這正是細胞器的情況。如果你看看線粒體和葉綠體，也是同樣的道理：它們會隨著細胞的增大而增大。”

在後續研究中，研究小組和其他合作者使用了強大的X 射線成像技術來觀察活藻細胞的內部結構。結果發現，宿主和共生體之間的複製和細胞分裂是同步進行的，這進一步證明了原生共生正在發揮作用。

Braarudosphaera bigelowii 細胞分裂不同階段的X 光影像。新發現的硝基原生質為青色，藻核為藍色，粒線體為綠色，葉綠體為紫色。瓦倫蒂娜-洛孔特/伯克利實驗室

最後，研究小組將分離的UCYN-A 與藻類細胞內的蛋白質進行了比較。他們發現，分離出來的細菌只能產生所需蛋白質的一半左右，其餘的則依靠藻類宿主提供。

Zehr說：”這是由內共生體轉變為細胞器的標誌之一。它們開始丟棄DNA片段，基因組變得越來越小，開始依賴母細胞將這些基因產物–或蛋白質本身–運輸到細胞中。

研究團隊稱，這表明UCYN-A 是一個完整的細胞器，被命名為硝化細菌。它似乎是在大約1 億年前開始進化的，這聽起來像是一段非常漫長的時間，但與粒線體和葉綠體相比，只是一眨眼的功夫。

研究人員計劃繼續研究硝化細菌，以確定它們是否存在於其他細胞中，以及它們可能產生的影響。其中一個可能的好處是，它可以為科學家提供一個新的途徑，將固氮作用融入植物中，從而種植出更好的作物。

這項研究發表在《細胞》和《科學》雜誌。