科学家们捕捉到了亿万年一遇的进化事件，两种生命形式合并成一种生物，其能力令同类羡慕不已。上一次发生这种情况时，地球上有了植物。这种现象被称为原生共生（primary endosymbiosis），是指一种微生物有机体吞噬另一种微生物有机体，并开始像使用内脏器官一样使用它。作为交换，宿主细胞为共生体提供营养、能量、保护和其他益处，直到最后共生体无法再独立生存，最终成为宿主的一个器官--也就是微生物细胞中所谓的细胞器。

布拉鲁德磷藻（Braarudosphaera bigelowii ）吸收了一种名为 UCYN-A 的蓝藻，这可能是生物进化向前迈出的一大步

细胞线粒体示意图 国家人类基因组研究所

在地球上长达 40 亿年的生命史中，据我们所知，原生共生只发生过两次，而每一次都是进化史上的巨大突破。第一次发生在大约 22 亿年前，当时一个古细菌吞下了一个细菌，成为线粒体。这种专门生产能量的细胞器基本上使所有复杂的生命形式得以进化。时至今日，它仍被誉为"细胞的动力之源"。

第二次发生在大约 16 亿年前，其中一些更先进的细胞吸收了能从阳光中获取能量的蓝藻。这些蓝藻变成了被称为叶绿体的细胞器，使植物这种你可能听说过的生命形式具备了收集阳光的能力，并呈现出迷人的绿色。

显微镜下的活苔藓细胞，显示其叶绿体（绿色圆圈） Des_Callaghan/CC BY-SA 4.0

现在，科学家们发现，这种情况又出现了。科学家发现，一种名为布拉鲁德磷藻（Braarudosphaera bigelowii）的藻类吞食了一种蓝藻，这种蓝藻能让藻类和一般植物做一些它们通常做不到的事情--直接从空气中"固定"氮，并将氮与其他元素结合，创造出更有用的化合物。

氮是一种关键的营养物质，植物和藻类通常是通过与细菌的共生关系来获得氮的，但两者是分开的。起初，人们认为比格洛藻与一种名为 UCYN-A 的细菌建立了这种共生关系，但仔细观察后，科学家发现两者的关系要亲密得多。

在最近的一项研究中，一个研究小组发现，在不同的相关藻类物种中，藻类和 UCYN-A 之间的大小比例保持相似。它们的生长似乎受养分交换的控制，从而导致新陈代谢的联系。

研究报告的作者乔纳森-泽尔（Jonathan Zehr）说："这正是细胞器的情况。如果你看看线粒体和叶绿体，也是同样的道理：它们会随着细胞的增大而增大。"

在后续研究中，研究小组和其他合作者使用了一种强大的 X 射线成像技术来观察活藻细胞的内部结构。结果发现，宿主和共生体之间的复制和细胞分裂是同步进行的，这进一步证明了原生共生正在发挥作用。

Braarudosphaera bigelowii 细胞分裂不同阶段的 X 射线图像。新发现的硝基原生质为青色，藻核为蓝色，线粒体为绿色，叶绿体为紫色。瓦伦蒂娜-洛孔特/伯克利实验室

最后，研究小组将分离的 UCYN-A 与藻类细胞内的蛋白质进行了比较。他们发现，分离出来的细菌只能产生其所需蛋白质的一半左右，其余的都要依靠藻类宿主提供。

Zehr说："这是由内共生体转变为细胞器的标志之一。它们开始丢弃DNA片段，基因组变得越来越小，开始依赖母细胞将这些基因产物--或蛋白质本身--运输到细胞中。"

研究小组称，这表明 UCYN-A 是一个完整的细胞器，被命名为硝化细菌。它似乎是在大约 1 亿年前开始进化的，这听起来像是一段非常漫长的时间，但与线粒体和叶绿体相比，只是一眨眼的功夫。

研究人员计划继续研究硝化细菌，以确定它们是否存在于其他细胞中，以及它们可能产生的影响。其中一个可能的好处是，它可以为科学家们提供一个新的途径，将固氮作用融入植物中，从而种植出更好的作物。

这项研究发表在《细胞》和《科学》杂志上。