夏潤月 李猛
地球的生命多姿多彩,以前人們主要根據(jù)細胞核的有無把生命分為真核生物(由真核細胞構成,有細胞核)和原核生物(由原核細胞構成,無細胞核,但有擬核)。我們人類以及動物、植物都是真核生物;而細菌因為沒有細胞核,所以屬于原核生物。
近年來,科學家們發(fā)現(xiàn)地球上還生活著一群神奇的微生物,它們既有和細菌類似的細胞結構和代謝方式,也有與真核生物類似的遺傳轉錄系統(tǒng)。1977年,美國科學家卡爾·烏斯(CarlWoese)首次將這類微生物定義為古菌,區(qū)別于細菌和真核生物;1990年,卡爾·烏斯進一步將地球生命劃分為3種形式,即古菌、細菌和真核生物。
古菌最開始被認為僅生活在極端環(huán)境中,如:海底熱液噴口、陸地熱泉和鹽堿湖等。隨著研究的深入,科學家發(fā)現(xiàn)很多古菌也生活在其他自然環(huán)境中,比如海洋、土壤,甚至是人和動物的腸道等非極端環(huán)境。其中,海洋大約占地球面積的71%,是全球最大的生態(tài)系統(tǒng)之一,古菌廣泛分布于各類海洋環(huán)境中,尤其是深海無光的水體和沉積物環(huán)境,是海洋微生物的主要成員之一。
科學家們根據(jù)古菌攜帶的“身份證”——16SrRNA基因,將海洋古菌主要分為3類:奇古菌門(海洋古菌群-Ⅰ,MG-I)、海洋古菌群-Ⅱ(MG-II)和海洋古菌群-Ⅲ(MG-III)。目前,在海洋環(huán)境中已檢測到20多種不同的古菌,分布廣、豐度高。
“天生我材必有用”。海洋里存在大量的古菌,它們對大自然起到什么樣的作用呢?人類又能從古菌身上學到些什么?
研究發(fā)現(xiàn),有些海洋古菌善于把氨氧化從而產生亞硝酸鹽,有的古菌能代謝甲烷從而影響全球氣候,還有一些則被發(fā)現(xiàn)與真核生物起源密切相關。因此,研究海洋古菌能為我們更多了解地球元素循環(huán)的機制、應對全球氣候變化以及揭示真核生物起源打下堅實的基礎。
氨氧化古菌(AOA,AmmoniaOxidizingArchaea)普遍生活在溫和及極端環(huán)境中,其在海水中的豐富度很高,屬于奇古菌門。
談起對地球氮元素循環(huán)的作用,氨氧化古菌絕對有一席之地。氨氧化古菌與氨氧化細菌(AOB,AmmoniaOxidizingBacteria)功能類似,能將氨(NH3)氧化為亞硝酸鹽(NO2?),此過程被稱為氨氧化,是硝化作用的第一步。其他微生物可進一步將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽(NO3?),完成硝化作用的第二步。此外,還有一些微生物可將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原生成一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)或者氮氣(N2),即反硝化作用。
氨氧化古菌不僅生活在海洋中,也廣泛分布于土壤、污水處理廠甚至我們日常的垃圾滲透液中。最近的研究發(fā)現(xiàn),一些氨氧化古菌在缺氧的環(huán)境下仍能通過自己制造氧氣繼續(xù)進行氨氧化作用。
氮元素通過硝化和反硝化作用,可以在各級生態(tài)環(huán)境之間“健康”流動,最終維持良好的生態(tài)循環(huán)。氨氧化古菌正是這其中最重要的轉換者之一,在我們不知道或未注意的角落里默默地奉獻著。
海洋沉積物中的古菌種類非常多樣化,包括深古菌門、烏斯古菌門、廣古菌門等。古菌參與碳循環(huán)的主要方式之一是甲烷代謝。
甲烷是最主要的一種溫室氣體,它的增加會引起全球氣候變暖,造成一系列環(huán)境問題。因此,甲烷的正常流通就顯得格外重要,這個過程由部分微生物控制,包括甲烷代謝古菌。
甲烷代謝古菌主要屬于廣古菌門,根據(jù)功能不同,分為產甲烷古菌和甲烷氧化古菌。產甲烷古菌可在厭氧環(huán)境中形成甲烷,產甲烷古菌的底物(參與生化反應的物質)包括:氫氣(H2)、二氧化碳(CO2)、乙酸鹽和甲基化合物等。
最近,中國科學家首次發(fā)現(xiàn)一種能夠“吃石油”的產甲烷古菌,即該古菌能夠直接降解石油烴產生甲烷,有望“復活”一些老油田。甲烷氧化古菌則是將甲烷氧化為二氧化碳(CO2),以此作為自己的碳源和能量供應。
烏斯古菌被認為可能與產甲烷古菌存在共生關系,其發(fā)酵產生的氫氣、乙酸等化合物會維持產甲烷古菌的生長。作為回報,烏斯古菌則會獲得產甲烷古菌產生的一些氨基酸和其他化合物。正是海洋沉積物中的各類古菌相互合作,彼此“奉獻”,使它們在碳循環(huán)中扮演了不可或缺的角色。
人類的起源一直是困擾我們的科學之謎。要弄明白這個問題,首先需要弄清楚真核細胞是如何進化而來的,其祖先是什么?
近年來,在深海熱液噴口、紅樹林濕地沉積物等地發(fā)現(xiàn)的阿斯加德古菌,被認為是最靠近真核生物的一類原核生物。科學家們認為它們極有可能是真核生物的祖先,也就是說真核生物可能起源于阿斯加德古菌。
原因是,阿斯加德古菌不僅具有原核生物的生物學特征,如古菌沒有細胞核,因此屬于原核生物;但是有意思的是,阿斯加德古菌還具有許多從原核到真核過渡的生物學特征,例如:阿斯加德古菌富含很多只有在真核生物中才會出現(xiàn)的蛋白編碼基因。
另外,古菌在基因組復制、轉錄和翻譯等遺傳信息傳遞過程也與真核生物類似,這些證據(jù)逐漸使“一個古菌宿主細胞和一個α 變形菌( 線粒體)內共生體融合在一起,產生了第一個真核細胞”,這一真核生物起源之“內共生假說”越來越令人信服。
由深圳大學李猛教授團隊新發(fā)現(xiàn)的悟空古菌(以中國神話人物孫悟空命名)讓真核生物的起源有了新認識,他們推測悟空- 海姆達爾古菌類群可能是真核生物的祖先。但是我們到底起源于什么?這一問題可能只有在未來的研究中才能得到答案。
海洋古菌作為海洋微生物的主要組成部分,對全球氮、碳、硫等循環(huán)起著關鍵的作用,其與真核生物的關系也令人驚嘆。然而,由于一些海洋古菌生活環(huán)境的極限性和現(xiàn)行分離培養(yǎng)技術的局限性,已發(fā)現(xiàn)的古菌只是冰山一角,成功分離培養(yǎng)的古菌更是鳳毛麟角。
海洋古菌對全球生態(tài)系統(tǒng)的影響啟示著人們,應當保護海洋環(huán)境,充分利用海洋微生物的多樣性,調節(jié)大氣氣候,并結合其他學科揭示海洋古菌參與的其他元素循環(huán)。研究一些生活在極端環(huán)境中的海洋古菌,也有助于了解地球遠古時期環(huán)境以及演化歷程,得到更好的關于真核生物起源的闡釋。FFF4DB00-08BF-4B23-A3AD-6839A148DB54