地球上最古老的生命“古菌”
/ 2016-08-23 08:07:45
地球上存在著兩大生物圈：一個是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，另一個則是存在于地球深部由化能作用支持的“黑暗生物圈”。科學家認為，這些隸屬于黑暗生物圈的眾多古菌，有可能與地球上復雜生命的起源有關。
“人們一定還記得1866年海上發(fā)生的一件離奇的、神秘的、無法解釋的怪事。不久以前，好些大船在海上碰見了一個‘龐然大物’，一個很長的物體，形狀很像紡錘，有時發(fā)出磷光，它的體積比鯨魚大得多，行動起來也比鯨魚快得多。”《海底兩萬里》一開篇，凡爾納描寫一種想象出來的海底怪物形象。
對于深海，黑暗環(huán)境、巨大壓力和奇怪生物，總讓人充滿了想象力。而深海的未知環(huán)境，激發(fā)了科學家極大的好奇心。
自上世紀九十年代起，科學家在一次次遠航中，獲得了珍貴的海底沉積物，堪稱現(xiàn)實版的《海底兩萬里》。不過，他們的新發(fā)現(xiàn)，并不是可怕的龐然大物，而是體積微小而數(shù)量眾多的微生物——古菌（Archaea）。在生物技術取得長足發(fā)展的今天，這種可能是地球上最古老生命體的秘密開始被一一解開。
最近，上海交通大學微生物海洋學實驗室教授王風平領導的研究小組成功解析出一種名為“深古菌”的代謝形式，推進了對古菌在深部生物圈生態(tài)功能的認識，也為查明早期生命的起源打開了新的窗口。
黑暗生物圈
在長達數(shù)百年對海洋的探索中，人類注意到肉眼不可見的微生物，還是最近幾十年的事。
例如，將一套架子沉入海底，收回架子后，他們在顯微鏡下觀察到生命體的繁殖。將無菌的玻璃瓶放進海里，幾天后收回，則會發(fā)現(xiàn)瓶壁黏上了細菌。
1936年，左貝爾在《石油學報》（AapgBulletin）上發(fā)表了他在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)微生物的論文。“在遠離南加州海岸的海洋深處，海洋沉積物里有比水里豐富得多的細菌。”左貝爾在論文中這樣敘述。
經(jīng)過定量研究，左貝爾等人發(fā)現(xiàn)，每克沉積物里包含上百萬細菌，數(shù)量上遠高于海水里每克幾百個細菌。而沉積物中細菌的數(shù)量，似乎和水深、海洋溫度及與大陸的距離不存在緊密關聯(lián)，僅僅受到沉積物中有機質含量的影響。此外，左貝爾還開展了沉積物中需氧菌和厭氧菌的分析。
在海洋微生物研究者們看來，左貝爾最重要的貢獻，是證實了海洋沉積物中存在微生物，并推測一些重要的生化過程可能正在沉積物中發(fā)生，如水解、氨化、生產(chǎn)甲烷、纖維素和葡萄糖降解等。
不過，當時的生物學家并沒有過多地關注到左貝爾的新發(fā)現(xiàn)，反而是石油開采領域成了最大的受益者。左貝爾在此基礎上提出石油成藏的原理之一：要是沒有細菌，就根本不會形成石油。“沉積物中的細菌作用于有機質中的長鏈烴，把其變成較短的烴鏈。厭氧菌也幫助形成天然氣。”他指出。
直到1979年，美國阿爾文號（Alvin）深潛器首次在太平洋的加拉帕戈斯（Galapagos）洋中脊發(fā)現(xiàn)了深海熱液噴口和熱液生態(tài)系統(tǒng)，左貝爾的發(fā)現(xiàn)才得到進一步重視。
在2500米深處熱液口環(huán)境中，研究人員發(fā)現(xiàn)了大量自養(yǎng)微生物。這些微生物并不像普通生物以陽光、氧氣為能量維系生命，環(huán)境中大量存在的硫化物才是他們的“食物”。還有，這些奇怪的微生物竟然作為生產(chǎn)者供應著整個熱液生態(tài)系統(tǒng)——約三百多種新型動物物種。
隨后，美國大洋鉆探計劃（OceanDrillingProgram，ODP）在1994年的一次鉆探中，在海床下數(shù)百米深的沉積物樣品中又發(fā)現(xiàn)了具有活性的微生物。
上海交通大學微生物海洋學實驗室教授王風平告訴南方周末，從早期、偶然的海底勘測,到通過大洋鉆探項目來系統(tǒng)組織開展的系統(tǒng)性探測，人類已經(jīng)認識到在地球上存在兩個大規(guī)模的生物圈：一個是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，另一個則是存在于地球深部由化能作用支持的“黑暗生物圈”，“我們叫它‘微生物暗物質’”。
“長期以來，深部生物圈被人類忽視，或者說由于探測手段的限制，我們才剛剛開始認識。”王風平說。
2009年，懷著對“黑暗生物圈”的好奇心，王風平登上了阿爾文號。此次以“深海熱液口的黑暗生命研究”為主題的航行中，她在瓜伊馬斯海盆下潛到2012米深，成為當時下潛最深的中國女科學家。
“被五顏六色的動物、植物包圍，好像置身于‘海底花園’。”王風平回憶起海底旅行的“眼見為實”，遠比實驗室里的數(shù)據(jù)分析來得生動。這次旅行也讓她相信，深海微生物可能隱藏了大量生命起源的秘密。
地球生命的源頭
揭示有關生命的秘密，是許多深海微生物研究者的共同信念。
美國伊利諾伊大學微生物系教授卡爾·烏斯（CarlWoese）在對細菌的研究中，沒有按照尋常的道路進行。上世紀七十年代，他拋開了當時流行的細菌形態(tài)和生物化學特性研究，轉而把注意力放在了原核生物的進化關系上。
“分子結構和序列比傳統(tǒng)形態(tài)能透露出更多關于微生物親緣關系的信息。”卡爾·烏斯曾公開表示。按照遺傳學的中心法則，核糖體RNA承擔著“轉錄”DNA上的遺傳信息，并“翻譯”合成蛋白的任務。由于蛋白是維持機體生命的關鍵，不會輕易發(fā)生改變，因此，作為合成蛋白的模板，核糖體RNA也應當在數(shù)億萬年的進化中保持穩(wěn)定。
卡爾·烏斯的研究正是基于這個假設。他認為，核糖體RNA應當是破譯細菌進化之謎的“鑰匙”。隨后，卡爾和同事們比較了來自不同細菌、動物、植物中核糖核蛋白體的RNA序列，計劃根據(jù)它們的相似程度排列這些生物的親緣關系。
1990年，卡爾·烏斯在《美國國家科學院院報》（PNAS）上宣布了他的重要發(fā)現(xiàn)。一種能產(chǎn)生甲烷的微生物從外形上看是與大腸桿菌一樣的“細菌”。核糖體RNA序列上卻顯示，它與大腸桿菌并不是“近親”。那些在高濃度鹽水中生長，或者在沸騰溫泉中生長的微生物，卻和它的關系非常親密。
產(chǎn)生甲烷、害怕氧氣、高鹽、高溫，這些條件讓卡爾·烏斯聯(lián)想到地球早期的環(huán)境。他據(jù)此推斷，這些奇異的微生物在早期地球上占有統(tǒng)治地位，“它們很可能是地球上最古老的生命”。
有研究者這樣比喻，如果將地球約46億年的年齡比作一年，那么人類的誕生大約在12月，而生長于熱泉、海底或鹽湖中的古菌則出生于3月。
卡爾·烏斯把這類奇異的微生物稱為“古菌”（Archaea），成為與細菌、真核生物并列的“域”（Domain）。他也因為提出“三域系統(tǒng)”而成為進化學界的泰斗級人物。
2011年，自然出版集團在旗下的一本期刊預測，當年的諾貝爾生理學與醫(yī)學獎將頒給屠呦呦或者卡爾·烏斯。不久后，屠呦呦獲得被譽為諾獎風向標的拉斯科臨床醫(yī)學獎，進而在2015年如愿獲得諾獎?？?middot;烏斯卻在2012年12月離世。
不過，沒有得到諾獎的肯定，并不影響“三域系統(tǒng)”對古菌研究奠定的基礎——最近十幾年，科學家不斷發(fā)現(xiàn)新的古菌種類，并按照門、綱、目、科、屬的規(guī)則日益完善古菌的分類系統(tǒng)。
從阿爾文號下潛歸來后，王風平帶領研究團隊對從海底收獲的沉積物樣品開展了詳細分析。數(shù)量巨大的古菌讓他們感到興奮。而使用卡爾·烏斯考察核糖體RNA的老辦法，他們看到樣品中多數(shù)是嗜熱微生物。
一類從來沒有見過的新古菌也呈現(xiàn)在研究人員眼前。據(jù)推測，它可能是一類的高溫獨特類群。此前，王風平在檢測其他樣品時，也觀察到了與之相似的古菌的蹤影。因為沒有足夠的證據(jù)將其歸類，科學家只好暫時將它稱為“雜古菌類群”（MiscellaneousCrenarchaeotaGroup，MCG）。此次在瓜伊馬斯發(fā)現(xiàn)的新種類，則被命名為MCG-H。
無獨有偶，幾年前，挪威卑爾根大學研究者斯特芬·約根森（SteffenJorgensen）則在對“洛基城堡”（Loki'sCastle）的探索中，獲得了寶貴的樣品。“洛基城堡”是一片布滿熱泉口的大洋中脊，深2352米，位于格陵蘭島和挪威之間。樣品傳遞到瑞典烏普薩拉大學細胞和分子生物學系的泰斯·艾特瑪（ThijsEttema）手上。泰斯·艾特瑪發(fā)現(xiàn)了一種具有里程碑意義的新古菌——洛基古菌（Lokiarchaeota，Loki）。
盡管屬古菌域，洛基古菌卻與真核生物共有許多基因，例如，從前只在真核生物中被發(fā)現(xiàn)過的構成細胞骨架的蛋白質。泰斯·艾特瑪認為，洛基古菌的發(fā)現(xiàn)填補了古菌如何演化成真核細胞的空白，這也是從簡單細胞到復雜細胞的進化過程中缺失的一環(huán)。
“現(xiàn)代生物學中，真核細胞的來源仍是謎題之一。最近，有強有力的證據(jù)表明，真核細胞來源于古菌域。”
多樣化的代謝
近年來,隨著深海鉆探和采樣技術的發(fā)展，加上高通量測序、宏基因組技術、RNA基因和功能基因研究，古菌研究者不僅獲得了大量深海沉積物樣本，也具備了能深入了解古菌性質的諸多工具。
由于古菌原本生活在極端環(huán)境里，生長條件并不清楚，所以，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)古菌都無法在實驗室進行培養(yǎng)。“吃什么不知道，在什么條件下繁殖也不知道。”在王風平看來，這成為古菌研究長久以來發(fā)展緩慢的重要原因之一，“比如，1999年，日本科學家就發(fā)現(xiàn)了MCG古菌，但遲遲沒有給它編號、歸類，到2013年之前學界都沒有一篇關于它的論文發(fā)表。”
2002年，王風平回國后來到國家海洋局第三海洋研究所工作，便注意到當時還不知道應當如何命名的MCG古菌。在檢測很多來自世界各處的樣品時，她都發(fā)現(xiàn)了這種奇怪古菌的痕跡。“海洋沉積物里、土壤里，到處都有它，我甚至懷疑我家小區(qū)院子里的花壇里也有它。”王風平告訴南方周末。
研究人員推測，MCG古菌無所不在，它在自然界的含量約為2至3.9乘以10的28次方個細胞，是地球上含量最豐富的微生物之一。這個數(shù)字比科學家最新測算的宇宙中恒星總數(shù)還要大5個數(shù)量級，算得上真正的“天文數(shù)字”。
從海底到地面，環(huán)境差異如此之大，分布如此廣泛，這種古菌引發(fā)了王風平極大的興趣。
首先要認識它是誰。2013年，王風平帶領研究小組發(fā)現(xiàn)MCG古菌在系統(tǒng)發(fā)育上處于一個新分支，顯著不同于目前分類已確定的所有古菌門類。“它代表了一類自然界比較古老的古菌，因此，我們提議將MCG古菌歸類于一個全新的門類，命名為‘深古菌門（Bathyarchaeota）’。”王風平表示。
這項成果發(fā)表在國際微生物生態(tài)學會會刊（TheISMEJournal）上，是目前首個由中國學者提議的古菌門分類，被視為中國在古菌和生命起源及演化研究的重要貢獻之一。
然后，研究人員大膽推測，這種深古菌分布廣泛的原因可能是它多樣化的代謝方式。
進一步的研究圍繞深古菌的代謝方式。基因技術就派上了用場。研究人員利用組學技術，從深古菌的基因中找到了能夠自養(yǎng)乙酸合成的基因片段。最后，他們克隆了自養(yǎng)乙酸合成過程中一種被稱為“乙酸激酶”的基因，最終成功驗證其具有功能。
這是首次發(fā)現(xiàn)和證實古菌具有自養(yǎng)產(chǎn)乙酸的代謝方式。
此外，他們還發(fā)現(xiàn)深古菌同時具有代謝芳香烴化合物、纖維素，以及利用無機碳自養(yǎng)合成乙酸的功能。“有機碳、蛋白質、糖，蝦蟹殼中的幾丁質，甚至二氧化碳，都可以成為它的‘食物’。”拿到這樣的結果，王風平很興奮，“我們幾乎可以斷定，深古菌是海洋沉積物匯總和生態(tài)系統(tǒng)的核心驅動者。”
如今，隨著“蛟龍?zhí)?rdquo;“大洋一號”等中國海洋科學考察裝備的不斷進步，研究者們相信，中國學者將能在“黑暗生物圈”研究中扮演越來越重要的角色。
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