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动物、植物、真菌和原生生物的所有细胞都具备一项核心特征：均属于真核细胞。这类细胞本质为具有特化内部区室的复杂细胞，构成人体的细胞也不例外。
这类细胞的起源机制是生物学领域的重大科学问题之一。数十年来，主流解释将线粒体的获得视为该演化过程的终极转折点。学界普遍认为，一类古菌与某类细菌建立共生关系后，该细菌最终演化为线粒体，这一共生关系为细胞复杂性的出现奠定了基础。
由巴塞罗那生物医学研究所（IRB Barcelona）、巴塞罗那超级计算中心-国家超级计算中心（BSC-CNS）的ICREA研究员托尼·加瓦尔多（Toni Gabaldón）博士牵头的一项研究对上述观点进行了修正。该研究并未否认线粒体的核心作用，但指出复杂细胞的起源过程比以往认知更漫长、更渐进，且涉及更多物种间的协作。研究结果挑战了“细胞复杂性起源于单次演化互作事件”的假说，表明这是不同微生物之间持续数百万年相互作用的渐进过程。研究发现，除了演化出线粒体的细菌外，还有多种细菌对真核生物起源存在贡献，同时巨型病毒可能充当了遗传物质转移的载体。
“长期以来，我们将复杂细胞的起源解释为两个核心角色的故事：一类古菌，以及最终演化出线粒体的细菌，”加瓦尔多表示，“我们的研究表明这一叙事并不完整，演化过程中还有更多参与者，包括其他细菌类群，以及可能促进基因交换的巨型病毒。”该团队的研究成果发表于《自然》（Nature）期刊，论文题为《基因谱系揭示真核发生过程中多样的微生物关联》。
作者在论文中指出：“真核生物的起源仍是生物学的核心谜题。”与恐龙研究不同，真核生物起源无法通过可见的骨骼或化石进行重构。这一过程可能发生在约20亿年前的微生物中，几乎没有留下任何直接痕迹。该团队指出：“目前关于真核发生的共识围绕以下场景展开：始终涉及内共生关系，α-变形菌内共生体与具有阿斯加德古菌祖先的宿主之间发生了广泛的基因转移。”不过，这一演化过程的痕迹仍留存于现存生物的基因组中。
为追踪这些演化痕迹，团队将该问题转化为计算分子考古学任务，利用MareNostrum系列超级计算机的算力，对覆盖整个生物多样性的公开基因组数据进行分析。
研究人员首先重构了所有真核生物的最后共同祖先（last eukaryotic common ancestor, LECA，注：所有现存真核生物的最近共同演化祖先）的基因家族与蛋白家族库。他们表示：“我们的分析对真核生物最后共同祖先的蛋白质组进行了修正重构，追溯了每个蛋白家族的系统发育起源。”随后研究人员将这些蛋白家族与包含数万种细菌、古菌和病毒基因组的数据库进行比对，分析其演化起源。
该研究的共同作者、IRB巴塞罗那与BSC的比较基因组学组（由加瓦尔多带领）研究员莫伊塞斯·贝尔纳贝乌（Moisès Bernabeu）博士、赛奥亚·曼萨诺-莫拉莱斯（Saioa Manzano-Morales）博士与玛丽娜·马塞特-乌本（Marina Marcet-Houben）博士解释道：“我们尝试重构数十亿年前发生、且没有直接化石证据的演化事件，因此我们采取了极为保守的分析策略：仅保留最可靠的演化信号——即信号强度与已被广泛认可的古菌祖先、线粒体起源细菌的演化信号相当的信号。”
团队利用复杂数学模型处理了海量基因组序列，经过五年多的研究，成功检测到了原本无法被识别的演化信号。
除线粒体的来源信号外，研究还识别到两类尤其重要的细菌来源信号：粘杆菌门（Myxococcota）和浮霉菌门（Planctomycetota）。前者的贡献与代谢功能相关，包括脂质与膜相关的生物学过程；后者是一类以结构复杂性著称的细菌，具有细菌中罕见的内部区室结构。研究团队表示：“这些供体的基因转移事件在既往研究中已有报道，包括小范围的详细研究，例如真核生物从粘杆菌门获得部分类固醇生物合成酶。”
分析结果表明，这些遗传贡献并非同时发生。浮霉菌门的信号出现时间更早，而粘杆菌门和线粒体起源细菌的信号出现时间更接近。研究人员指出：“我们发现了来自不同细菌供体的多轮水平基因转移的有力证据，其中部分转移事件可能发生于线粒体内共生之前。”
该研究最出人意料的发现之一是，真核生物早期演化过程中整合的部分基因似乎来源于巨型病毒，具体为核质大DNA病毒门（Nucleocytoviricota）。这类病毒的基因组远大于多数已知病毒，可感染单细胞真核生物。
作者提出，这些病毒可能充当了同一生态系统中共存微生物之间遗传转移的载体，促进了遗传物质交换，帮助塑造了真核细胞的祖先基因组。研究人员表示：“我们的结果证实并拓展了此前的研究结论，支持真核生物最后共同祖先形成之前，存在来自不同原核祖先的大量基因流，同时揭示了病毒可作为这类转移的潜在介质。”
这一观点符合“真核细胞祖先生存于微生物群落丰富的环境（如微生物垫）”的假说，这类环境中不同微生物分层共存，所处化学条件各异。在这种环境下，遗传交换可让微生物随时间获得新的生物学功能。研究人员指出：“已知微生物可形成微生物垫或复杂生物膜等复杂群落，病毒也是这类群落的活跃组成部分，因此认为真核生物最后共同祖先的祖先生存于这类复杂环境中是合理的。”
该研究解答了生物学的重大问题之一：构成人体的细胞的复杂性是如何产生的。通过重构这一过程的遗传痕迹，该研究为生命史中的关键事件——即动物、植物、真菌和原生生物所属细胞谱系的起源——提供了新的视角。“综上，我们的结果表明，远古真核生物可能起源于复杂的微生物生态系统中，通过一系列不同的物种互作，留下了水平基因转移的痕迹。”
该论文拓展了加瓦尔多2016年启动的研究方向，当时他在《自然》发表的一项研究已经提出，线粒体可能是在真核起源过程中相对较晚的阶段被获得的。如今，随着可获得的基因组数据更丰富、计算工具更强大，研究团队得以更详细地分析还有哪些其他生物在真核共同祖先的基因组中留下了痕迹。
“所有基因组都保留了其演化历史的痕迹。就真核生物而言，这些痕迹向我们展示了远古微生物之间的联盟。理解这些联盟有助于我们回答一个非常深刻的问题：我们是什么，我们从何而来，”加瓦尔多评价道。