無所不在 活出極限 古菌：生命的第三種形式

陸成寬

經過12230海里的航行，中國科學院南海海洋研究所“實驗3號”科考船圓滿完成中國和巴基斯坦首次北印度洋聯合考察任務，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、海洋生物與微生物等多學科綜合考察。中國考察隊員、來自南方科技大學海洋科學與工程系張傳倫教授團隊的高思敏，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，進行深入分析和研究。

第三種生命形式

儼然是個“四不像”

與細菌和真核生物相比，大多數人可能對古菌比較陌生，古菌（Archaea）是與細菌和真核生物并列的第三種生命形式，又稱古細菌、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時間有關。“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點多鐘就出現了，而人類則是在深夜23點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時間很早，對極端環境適應能力最強，因此至今仍廣泛分布于地球各種極端環境，如高溫熱泉、鹽湖、深海等。”中國科學院微生物研究所研究員、微生物資源前期開發國家重點實驗室主任向華說。

事實上，古菌既與細菌（真細菌）有很多相似之處，又與真核生物有很多相似之處，儼然是個“四不像”。向華表示，古菌是一群具有獨特的細胞結構和遺傳信息處理系統的單細胞原核生物，其在細胞形態等方面與細菌類似，而其在基因組復制、轉錄與翻譯等遺傳信息傳遞系統方面卻更接近真核生物，而古菌的細胞膜結構又與地球上所有其他物種都不一樣。

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

分布于各種極端環境下 代表著生命的極限

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

“生活在地球各種極端自然環境中的古菌，稱為極端古菌。極端古菌不僅可以耐受這些極端環境，而且可以在這些特殊的環境中生長繁茂，甚至它們為了更好地繁衍后代需要一種或多種極端條件。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。

事實上，在我們這個星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。向華表示，目前發現的最耐熱、最耐高鹽、最耐酸或堿及極端厭氧的生物均是古菌。古菌對不同極端環境的適應性可能是長期進化的結果，通過特殊的適應機制來適應極端環境。比如，極端嗜鹽古菌代表了地球生命對高鹽環境的極限適應能力，它可在胞內積累高濃度鉀離子對抗滲透脅迫；而其他生物通常只能通過胞內大量合成小分子有機物來對抗滲透脅迫。

但是，古菌并不僅僅生活在極端環境中，它廣泛分布在各種自然環境中。

“近年來大量非培養生物技術分析表明，古菌不僅生活于地球各種極端環境，而且在海洋、土壤，甚至人和動物腸道等非極端環境也廣泛地存在，其在地球與生命共進化進程中具有不可低估的重要地位。”向華強調。在人體內也發現了古菌，寄居在人體內的古菌主要是產甲烷古菌，它們能在無氧無陽光的條件下生存。

據了解，目前可在實驗室培養的古菌主要包括三大類：產甲烷菌、極端嗜熱菌和極端嗜鹽菌。

產甲烷菌生活于富含有機質且嚴格無氧的環境中，如沼澤地、水稻田、反芻動物的反芻胃等，參與地球上的碳素循環，負責甲烷的生物合成；極端嗜鹽菌生活于鹽湖、鹽田及鹽腌制品表面，它能夠在鹽飽和環境中生長，而當鹽濃度低于10%時則不能生長；極端嗜熱菌通常分布于含硫或硫化物的陸相或水相地質熱點，如含硫的熱泉、泥潭、海底熱溢口等，絕大多數極端嗜熱菌嚴格厭氧，在獲得能量時完成硫的轉化。

對其認識還剛剛起步 開發前景不可估量

古菌不僅能在各種極端環境中生存，而且在生物技術的開發應用方面也顯示出巨大的潛力。

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

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

“古菌不僅是研究生命基本規律、極限適應能力、生命起源與演化等的重要力量，還是創新生物技術的重要資源，在推動地球元素循環、維持生態環境健康與可持續發展方面也具有不可低估的作用。”向華說道。

高思敏對此也持有類似的看法。“古菌作為地球上生命的第三種形式，人們對它的認識才剛剛起步，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，“這不僅是因為古菌中蘊藏著大量未知的生物學過程和功能，有助于探索生物進化規律的線索；還因為古菌有著不可估量的生物技術開發前景，例如用于極端環境中的污染治理，用于潔凈煤技術和清潔能源生產等。”