一组研究人员因一项历时近二十年的发现而获得了重要的科学奖项。长期以来，人们一直认为只有简单的微生物掌握了有助于创造生命基本组成部分的化学转化反应。但科学家们发现，一种更复杂的生物——具有细胞核的单细胞藻类——也能进行这种转化，这要归功于一种新发现的细胞结构。他们称之为硝化体。
有一天，硝化体可能会彻底改变农业。“这是生物技术的一个‘圣杯’，”加州大学圣克鲁兹分校现已退休的微生物生态学家Jon Zehr说——即能够设计出能够从空气中捕获氮气并用于生长的植物，而无需目前肥料所需的污染、能源或成本。
这是一个关于国际科学家团队如何解开一个显微镜下的谜题的故事。
神秘的DNA片段
从1990年代末开始，Zehr遇到了一个谜题。在研究巡航中，他在测试海水时，他和他的同事们不断发现海洋中的同一段DNA。然而，当他们试图找到这段DNA的来源生物时，却始终看不到它。
“每次我们拿到这些样本，”Zehr说，“我们在显微镜下看，什么也没有。”然而，这段DNA无处不在——在开阔的海洋、沿岸、热带和北极。“我们追着这个生物，通过一段DNA追踪了很长时间。”
这段DNA似乎具有一个特殊且罕见的功能——从周围环境中获取氮气，这是生物生存所必需的，并将其转化为可以用来制造蛋白质和DNA的形式。
可用的氮在这种环境中非常稀缺。“这就是为什么我们在农业中添加氮肥，”Zehr说。“海洋也是如此。在广阔的海洋区域中，氮是短缺的。”
这个谜题的第一个线索是意识到产生这段DNA的生物缺少许多必需的基因。它似乎是不完整的。“它有很多空洞或缺口，”Zehr说。（这些缺口包括负责在显微镜下发光的基因，因此对Zehr和他的同事来说是不可见的。）
他认为，为了生存，它必须得到另一种生物的帮助，“这可以解释为什么它可以缺少这么多基因，因为它与另一个可以提供这些东西的生物共生，”他说。
Zehr是对的。那个生物原来是一种叫做Braarudosphaera bigelowii的单细胞藻类，看起来像一个小足球。
逐步接近
进一步的实验需要在实验室中培养这种小足球状的藻类及其神秘的小伴侣。这是一个巨大的挑战。这些细胞不断死亡。高知大学的古生物学家Kyoko Hagino尝试了十二年，最终在一个与原始生物有亲缘关系的生物上取得了突破。“它们游得非常好，”她说，“所以我非常兴奋。”
这一重大突破使团队能够与劳伦斯伯克利国家实验室合作，使用粒子加速器产生的X射线来观察这个小足球内部。“这就像做医学CT扫描一样，你可以非破坏性地看到细胞内部，而不必切开细胞，”加州大学旧金山分校的细胞生物学家Carolyn Larabell说。
结构生物学家Valentina Loconte被她所看到的景象震惊了。“在藻类内部我发现了一个小细胞，”她说。“我们看不到任何没有小细胞的原始藻类。”
这个小实体——当时看起来像是一个小细胞——是海洋中所有神秘DNA的奇怪来源。“这意味着这两种生物真的生活在一起，”Loconte说。
当她接着观察这两个看似细胞——小细胞在大细胞内——的分裂时，它们是同步的。这引发了一个诱人的可能性：如果这个小实体根本不是独立的生物怎么办？如果它是大藻类细胞的一部分怎么办？
于是，加州大学圣克鲁兹分校的浮游植物生物学家Tyler Coale仔细分析了两者的蛋白质。他很快意识到两者需要彼此。他发现小家伙缺失的基因存在于大细胞中，而大细胞从这个小家伙那里得到了氮。这种氮转化能力是一种“额外的超能力”，加州大学圣克鲁兹分校的微生物海洋学家Kendra Turk-Kubo说。“这是这种关系中非常重要的一部分。”
“在这一点上，”Coale说，“很难将这两个称为不同的生物，因为它们的基因组如此交织在一起。”
相反，他和他的同事们认为，这是一个单一的生物。小家伙实际上是硝化体——大藻类细胞的一个组成部分。
两个变成一个
直到这一发现之前，科学家们认为将氮气转化为可用形式（即氮固定）的能力只是一些特定种类的细菌和其他简单微生物才能完成的壮举。
但这项工作改变了这一观点。大约1.4亿年前，一种能够从水中获取所需氮气的自由生活的细菌与古代藻类细胞融合。
“一个细胞吞噬另一个细胞，”Coale说，“然后不消化它，而是将其融入自己的身体。”
随着时间的推移，细菌丢弃了一些基因，藻类变得依赖于它获得的氮——直到最终，每个细胞都无法离开对方。两者之间形成了深刻的依赖关系，“两种物种变成一个的过程，”Coale说。
这一过程“在复杂生命的进化中起到了关键作用，”他说。他的意思是，这类似于15亿年前导致线粒体（细胞的能量工厂）和20亿年前导致叶绿体（使植物能够进行光合作用）出现的过程。“它们的部分基因编码在自己的小基因组中，但也有一些重要部分编码在周围细胞的细胞核中，”Coale说。
但在这种情况下，这一过程导致了硝化体的形成，这种结构负责向全球海洋中泵送大量氮。
“它一直在眼前，”南加州大学的生物海洋学家Doug Capone说，他没有参与这项发现。“但要获得最终使其飞跃的细节——哇，这真的很酷。”在他看来，硝化体给了藻类细胞在营养贫乏的水域中“免费乘车”。
有一天，Capone说硝化体可以被引入作物中，使它们能够在不依赖外部肥料的情况下自己转化氮。“这提供了一个模型系统，”他说，“说明如何将硝化体整合到重要的农作物中。”
这个愿景还很遥远。“我认为现实的观点是，”Coale说，“这需要几十年的研究，由数百甚至数千名科学家在不同方面共同努力，才能使之成为可能。”
不过，目前，该团队专注于下一组研究问题，这些问题需要同样的协作精神，这种精神使他们取得了重大发现——一种相互依赖的互联性。
“我们的团队，”Turk-Kubo说，“一起工作时比各自单独工作更好，就像这些生物一样。”
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