無所不在 活出極限 古菌：生命的第三種形式

陸成寬

經(jīng)過12230海里的航行，中國科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)3號(hào)”科考船圓滿完成中國和巴基斯坦首次北印度洋聯(lián)合考察任務(wù)，2月22日返回廣州。期間科考船于巴基斯坦外海的莫克蘭海溝開展海洋地質(zhì)、海洋生物與微生物等多學(xué)科綜合考察。中國考察隊(duì)員、來自南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系張傳倫教授團(tuán)隊(duì)的高思敏，希望能從莫克蘭海溝采集的海水和沉積物樣品中尋找到古菌群落，進(jìn)行深入分析和研究。

第三種生命形式

儼然是個(gè)“四不像”

與細(xì)菌和真核生物相比，大多數(shù)人可能對(duì)古菌比較陌生，古菌（Archaea）是與細(xì)菌和真核生物并列的第三種生命形式，又稱古細(xì)菌、太古菌或太古生物，是原核生物中的一大類。之所以稱其為“古”菌，與其在地球上的出現(xiàn)時(shí)間有關(guān)。“如果將地球約46億年的年齡比作一天的話，古菌早在凌晨5點(diǎn)多鐘就出現(xiàn)了，而人類則是在深夜23點(diǎn)58分才誕生，因此古菌的‘古，從某種意義上講就是這類生物在地球上出現(xiàn)時(shí)間很早，對(duì)極端環(huán)境適應(yīng)能力最強(qiáng)，因此至今仍廣泛分布于地球各種極端環(huán)境，如高溫?zé)崛?、鹽湖、深海等?！敝袊茖W(xué)院微生物研究所研究員、微生物資源前期開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任向華說。

事實(shí)上，古菌既與細(xì)菌（真細(xì)菌）有很多相似之處，又與真核生物有很多相似之處，儼然是個(gè)“四不像”。向華表示，古菌是一群具有獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和遺傳信息處理系統(tǒng)的單細(xì)胞原核生物，其在細(xì)胞形態(tài)等方面與細(xì)菌類似，而其在基因組復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯等遺傳信息傳遞系統(tǒng)方面卻更接近真核生物，而古菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)又與地球上所有其他物種都不一樣。

向華介紹，從細(xì)胞結(jié)構(gòu)上來看，古菌與細(xì)菌同屬于原核微生物，它們都不具有完整的細(xì)胞核和胞內(nèi)細(xì)胞器。與細(xì)菌不同的是古菌具有特殊成分的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，古菌細(xì)胞壁中含有獨(dú)特的假肽聚糖，細(xì)胞膜中含有獨(dú)特的醚鍵及分枝脂鏈，這些特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以幫助它們抵抗來自極端環(huán)境的壓力。也因?yàn)榧?xì)胞結(jié)構(gòu)的不同，所以細(xì)菌與古菌對(duì)不同抗生素的抗性也不同，古菌對(duì)抑制細(xì)菌生長的抗生素（如青霉素）一般不敏感，卻對(duì)抑制真核細(xì)胞生長的某些抗生素（如茴香霉素）敏感。

分布于各種極端環(huán)境下 代表著生命的極限

分離于太平洋海底熱液口的熱網(wǎng)菌屬，能夠在高達(dá)121攝氏度的溫度下存活并生長，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最耐熱生物。

“生活在地球各種極端自然環(huán)境中的古菌，稱為極端古菌。極端古菌不僅可以耐受這些極端環(huán)境，而且可以在這些特殊的環(huán)境中生長繁茂，甚至它們?yōu)榱烁玫胤毖芎蟠枰环N或多種極端條件。比如，生活在沼澤的極端厭氧甲烷古菌，生活于鹽湖或曬鹽場(chǎng)的極端嗜鹽古菌，生活于海底熱液口的極端嗜熱古菌，以及生活于硫磺熱泉的嗜酸熱古菌等。”向華說道。

事實(shí)上，在我們這個(gè)星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。向華表示，目前發(fā)現(xiàn)的最耐熱、最耐高鹽、最耐酸或堿及極端厭氧的生物均是古菌。古菌對(duì)不同極端環(huán)境的適應(yīng)性可能是長期進(jìn)化的結(jié)果，通過特殊的適應(yīng)機(jī)制來適應(yīng)極端環(huán)境。比如，極端嗜鹽古菌代表了地球生命對(duì)高鹽環(huán)境的極限適應(yīng)能力，它可在胞內(nèi)積累高濃度鉀離子對(duì)抗?jié)B透脅迫；而其他生物通常只能通過胞內(nèi)大量合成小分子有機(jī)物來對(duì)抗?jié)B透脅迫。

但是，古菌并不僅僅生活在極端環(huán)境中，它廣泛分布在各種自然環(huán)境中。

“近年來大量非培養(yǎng)生物技術(shù)分析表明，古菌不僅生活于地球各種極端環(huán)境，而且在海洋、土壤，甚至人和動(dòng)物腸道等非極端環(huán)境也廣泛地存在，其在地球與生命共進(jìn)化進(jìn)程中具有不可低估的重要地位?！毕蛉A強(qiáng)調(diào)。在人體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了古菌，寄居在人體內(nèi)的古菌主要是產(chǎn)甲烷古菌，它們能在無氧無陽光的條件下生存。

據(jù)了解，目前可在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的古菌主要包括三大類：產(chǎn)甲烷菌、極端嗜熱菌和極端嗜鹽菌。

產(chǎn)甲烷菌生活于富含有機(jī)質(zhì)且嚴(yán)格無氧的環(huán)境中，如沼澤地、水稻田、反芻動(dòng)物的反芻胃等，參與地球上的碳素循環(huán)，負(fù)責(zé)甲烷的生物合成；極端嗜鹽菌生活于鹽湖、鹽田及鹽腌制品表面，它能夠在鹽飽和環(huán)境中生長，而當(dāng)鹽濃度低于10%時(shí)則不能生長；極端嗜熱菌通常分布于含硫或硫化物的陸相或水相地質(zhì)熱點(diǎn)，如含硫的熱泉、泥潭、海底熱溢口等，絕大多數(shù)極端嗜熱菌嚴(yán)格厭氧，在獲得能量時(shí)完成硫的轉(zhuǎn)化。

對(duì)其認(rèn)識(shí)還剛剛起步 開發(fā)前景不可估量

古菌不僅能在各種極端環(huán)境中生存，而且在生物技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用方面也顯示出巨大的潛力。

向華介紹，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中用的高保真DNA聚合酶Pfu酶就來源于嗜熱古菌；產(chǎn)甲烷古菌在厭氧條件下可以產(chǎn)生清潔干凈的可再生能源甲烷（即天然氣）；嗜鹽古菌細(xì)胞膜上的紫膜蛋白由于其獨(dú)特的光化學(xué)特性，已作為優(yōu)良的生物納米材料用于光信息處理和光電響應(yīng)元件等；某些嗜鹽古菌還可在胞內(nèi)大量積累生物可降解塑料，其優(yōu)越的材料學(xué)性能及較低的生產(chǎn)成本使得其在醫(yī)用材料領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景；極端古菌所產(chǎn)生的極端酶則是開發(fā)工業(yè)酶制劑的寶庫。

與此同時(shí)，古菌在全球生物地球化學(xué)循環(huán)過程中也起著重要的作用，如厭氧甲烷氧化古菌對(duì)于控制溫室氣體排放和碳素循環(huán)具有巨大的影響，氨氧化古菌則在全球氮素循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。

“古菌不僅是研究生命基本規(guī)律、極限適應(yīng)能力、生命起源與演化等的重要力量，還是創(chuàng)新生物技術(shù)的重要資源，在推動(dòng)地球元素循環(huán)、維持生態(tài)環(huán)境健康與可持續(xù)發(fā)展方面也具有不可低估的作用?！毕蛉A說道。

高思敏對(duì)此也持有類似的看法?！肮啪鳛榈厍蛏仙牡谌N形式，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)才剛剛起步，還有許多未解之謎和無窮奧秘等待探尋，研究古菌非常有意義，”高思敏說，“這不僅是因?yàn)楣啪刑N(yùn)藏著大量未知的生物學(xué)過程和功能，有助于探索生物進(jìn)化規(guī)律的線索；還因?yàn)楣啪兄豢晒懒康纳锛夹g(shù)開發(fā)前景，例如用于極端環(huán)境中的污染治理，用于潔凈煤技術(shù)和清潔能源生產(chǎn)等?！?/p>