【科技日报】古菌:无所不在 活出极限

  

图为神秘美丽的莫克兰海沟海景  

  “实验3”号科考期间,科学家在莫克兰海沟目标海域首次获得第一手生物样品。

  22日返回广州的“实验3”号科考船圆满完成中巴首次联合科考任务,两国科学家对莫克兰海沟开展了地质、生物与微生物等综合考察。 

  经过12230海里的航行,中国科学院南海海洋研究所“实验3”号科考船圆满完成中国和巴基斯坦首次北印度洋联合考察任务,22日返回广州。期间科考船于巴基斯坦外海的莫克兰海沟开展海洋地质、海洋生物与微生物等多学科综合考察。中国考察队员、来自南方科技大学海洋科学与工程系张传伦教授团队的高思敏,希望能从莫克兰海沟采集的海水和沉积物样品中寻找到古菌群落,进行深入分析和研究。

  第三种生命形式 俨然是个“四不像” 

  与细菌和真核生物相比,大多数人可能对古菌比较陌生,古菌(Archaea)是与细菌和真核生物并列的第三种生命形式,又称古细菌、太古菌或太古生物,是原核生物中的一大类。之所以称其为“古”菌,与其在地球上的出现时间有关。“如果将地球约46亿年的年龄比作一天的话,古菌早在凌晨5点多钟就出现了,而人类则是在深夜23点58分才诞生,因此古菌的‘古’,从某种意义上讲就是这类生物在地球上出现时间很早,对极端环境适应能力最强,因此至今仍广泛分布于地球各种极端环境,如高温热泉、盐湖、深海等。”中国科学院微生物研究所研究员、微生物资源前期开发国家重点实验室主任向华告诉科技日报记者。

  事实上,古菌既与细菌(真细菌)有很多相似之处,又与真核生物有很多相似之处,俨然是个“四不像”。向华表示,古菌是一群具有独特的细胞结构和遗传信息处理系统的单细胞原核生物,其在细胞形态等方面与细菌类似,而其在基因组复制、转录与翻译等遗传信息传递系统方面却更接近真核生物,而古菌的细胞膜结构又与地球上所有其它物种都不一样。

  向华介绍,从细胞结构上来看,古菌与细菌同属于原核微生物,它们都不具有完整的细胞核和胞内细胞器。与细菌不同的是古菌具有特殊成分的细胞壁和细胞膜,古菌细胞壁中含有独特的假肽聚糖,细胞膜中含有独特的醚键及分枝脂链,这些特殊的细胞结构可以帮助它们抵抗来自极端环境的压力。也因为细胞结构的不同,所以细菌与古菌对不同抗生素的抗性也不同,古菌对抑制细菌生长的抗生素(如青霉素)一般不敏感,却对抑制真核细胞生长的某些抗生素(如茴香霉素)敏感。

  分布于各种极端环境下 代表着生命的极限 

  分离于太平洋海底热液口的热网菌属,能在高达121摄氏度的温度下存活并生长,这是迄今为止发现的最耐热生物。“生活在地球各种极端自然环境中的古菌,称为极端古菌。极端古菌不仅可以耐受这些极端环境,而且可以在这些特殊的环境中生长繁茂,甚至它们为了更好地繁衍后代需要一种或多种极端条件。比如,生活在沼泽的极端厌氧甲烷古菌,生活于盐湖或晒盐场的极端嗜盐古菌,生活于海底热液口的极端嗜热古菌,以及生活于硫磺热泉的嗜酸热古菌等。”向华说道。

  事实上,在我们这个星球上,古菌代表着生命的极限,确定了生物圈的范围。向华表示,目前发现的最耐热、最耐高盐、最耐酸或碱及极端厌氧的生物均是古菌。古菌对不同极端环境的适应性可能是长期进化的结果,通过特殊的适应机制来适应极端环境。比如,极端嗜盐古菌代表了地球生命对高盐环境的极限适应能力,它可在胞内积累高浓度钾离子对抗渗透胁迫;而其它生物通常只能通过胞内大量合成小分子有机物来对抗渗透胁迫。

  但是,古菌并不仅仅生活在极端环境中,它广泛分布在各种自然环境中。“近年来大量非培养生物技术分析表明,古菌不仅生活于地球各种极端环境,而且在海洋、土壤,甚至人和动物肠道等非极端环境也广泛地存在,其在地球与生命共进化进程中具有不可低估的重要地位。”向华强调。在人体内也发现了古菌,寄居在人体内的古菌主要是产甲烷古菌,它们能在无氧无阳光的条件下生存。

  据了解,目前可在实验室培养的古菌主要包括三大类:产甲烷菌、极端嗜热菌和极端嗜盐菌。产甲烷菌生活于富含有机质且严格无氧的环境中,如沼泽地、水稻田、反刍动物的反刍胃等,参与地球上的碳素循环,负责甲烷的生物合成;极端嗜盐菌生活于盐湖、盐田及盐腌制品表面,它能够在盐饱和环境中生长,而当盐浓度低于10%时则不能生长;极端嗜热菌通常分布于含硫或硫化物的陆相或水相地质热点,如含硫的热泉、泥潭、海底热溢口等,绝大多数极端嗜热菌严格厌氧,在获得能量时完成硫的转化。

  对其认识还刚刚起步 开发前景不可估量 

  古菌不仅能在各种极端环境中生存,而且在生物技术的开发应用方面也显示出巨大的潜力。向华介绍,聚合酶链式反应中用的高保真DNA聚合酶Pfu酶就来源于嗜热古菌;产甲烷古菌在厌氧条件下可以产生清洁干净的可再生能源甲烷即天然气;嗜盐古菌细胞膜上的紫膜蛋白由于其独特的光化学特性,已作为优良的生物纳米材料用于光信息处理和光电响应元件等;某些嗜盐古菌还可在胞内大量积累生物可降解塑料,其优越的材料学性能及较低的生产成本使得其在医用材料领域有很大应用前景;极端古菌所产生的极端酶则是开发工业酶制剂的宝库。同时,古菌在全球生物地球化学循环过程中也起着重要的作用,如厌氧甲烷氧化古菌对于控制温室气体排放和碳素循环具有巨大的影响,氨氧化古菌则在全球氮素循环中发挥着重要作用。

  “古菌不仅是研究生命基本规律、极限适应能力、生命起源与演化等的重要力量,还是创新生物技术的重要资源,在推动地球元素循环、维持生态环境健康与可持续发展方面也具有不可低估的作用。”向华说道。

  高思敏也持有类似的看法。“古菌作为地球上生命的第三种形式,人们对它的认识才刚刚起步,还有许多未解之谜和无穷奥秘等待探寻,研究古菌非常有意义,”高思敏说,“这不仅是因为古菌中蕴藏着大量未知的生物学过程和功能,有助于探索生物进化规律的线索;还因为古菌有着不可估量的生物技术开发前景,例如用于极端环境中的污染治理,用于洁净煤技术和清洁能源生产等。”