对话黄力——古菌：严酷环境VS极端生命

顾汉现

对话黄力——古菌：严酷环境VS极端生命


(转帖)


（刘洪宇）


日期: 2009-01-31  


　　背景



　　地球上究竟有几种生命形式？当亚里士多德建立生物学时，他用二分法则将生物分为动物和植物。显微镜的诞生使人们发现了肉眼看不见的细菌。1937年，生物界又被分为含细胞核的真核生物和不含细胞核的原核生物。动植物属于真核生物，而细菌属于原核生物。但是上世纪70年代，一种新的生命形式被发现，它就是古菌。从那时到现在，从外在生存环境到内部机制，古菌给了我们关于生命的全新认识，生物进化的揭示、地外生命的寻找、生物技术资源的开拓等都有赖于我们对这第三种生命形式的探索。



　　顽强的生命



　　酷热、寒冷、高盐的极端条件下古菌存在了几十亿年



　　记者：黄老师，您是研究古菌的专家，提到古菌，许多人对其还很陌生。对其稍微了解的人可能会记住它的两个重要特征，一是产生的年代久远，另外就是它在极端环境下能生存，是这样吗？



　　黄力：是的，也有人把古菌称为古细菌、古生菌，这个“古”字就是由于它生存的年代久远而得名的。那么，它在地球上存在多久了呢？如果将地球约46亿年的年龄比作一年，那么古菌早在3月的某天就出现了，而人类诞生不过是12月31日的事。也就是说古菌至少已经存在30多亿年了。它是地球上最古老的生命体之一。并且，这些古菌一般生活在极端条件的环境下，所以一些人喜欢称其为极端环境下的生命，比如生存在高温下，有的超过100℃，还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸水中。近年来，利用分子生物学方法人们发现，一些古菌也广泛分布于各种自然环境中，土壤、海水、沼泽地中均生活着古菌，这些古菌是嗜中性的，而一种产甲烷古菌则生存在人、牛等的消化道中，有时排出很难闻的气，那可能就是消化过程中有这种菌在“作怪”。



　　记者：古菌在世界各地的极端环境里都有所发现吗？



　　黄力：是的。古菌遍及世界许多角落。世界上有许多地区的地下水经过地下岩浆层变热，在地壳薄弱处涌出来，形成热泉。在这些热泉中我们发现了大量的嗜热古菌生存，比如一种“耐热嗜酸古细菌”是科学家们从美国黄石国家公园的温泉中分离而来的，它在80℃的热酸性环境最宜生长；而一种独特的骑行纳古菌是在冰岛的热泉口发现的；一种叫做热网菌的古菌，在海洋火山中较为常见，生长最适温度为105℃，最高在113℃的温度下能生长，这是迄今为止发现的最高生物生长温度。而在海底，这些热泉就是所谓的“黑烟囱”——含有矿物质的地热流，通常从因板块推挤而隆起的海底山脊上喷出，有的达到400℃，刚喷出时为澄清液体状，与周围的冷海水混合后，很快产生沉淀，形成烟囱状水柱，这些海底黑烟囱附近广泛存在着古菌，它们极端嗜热，直接生存于80℃-120℃的环境中。有科学家通过对太平洋海水中古菌含量的测定和估算，预计古菌和细菌在现代海洋中的比例是1∶2。



　　其他如在格陵兰岛地下冰芯中发现了产甲烷古菌生存。在许多高盐环境如死海、天然盐湖存在一些嗜盐古菌。我国大陆科学钻探工程从钻孔中获取岩心及地下物质样品，发现从529米到2026米的6处岩石中存在古菌，在地下3910多米高温、高压、缺氧、贫营养的极端条件下也发现了大量微生物。



　　记者：摄氏100多度下还有生命存在、在“咸盐”中求生存，这些真是不可思议，那里没有氧气、缺少养料，这些古菌是靠什么“活”着的，即它们的生命活动有什么特点？



　　黄力：代谢是生命体的基本特征。古菌有多种类型，所以具有多种代谢类型，不能一概而论。在许多高温、高盐的环境里没有氧气，所以很大一部分古菌是属于厌氧的，氧气在那些古菌面前不仅毫无用处，反而成了可怕的毒物——它们不靠代谢氧来活着，而是以氢气、氨、硫等来代谢。比如作为古菌中重要的一类的产甲烷菌能在利用氢气还原二氧化碳生成甲烷时获得能量生长，不分解代谢糖类和蛋白质等有机物。而硫化叶菌是一种嗜热菌，则进行有氧代谢，将硫化氢或一氧化硫氧化成硫酸，固定二氧化碳做碳源。嗜盐的盐杆菌中大多数菌株严格好氧，但有的兼性厌氧，它们的生长则需要镁离子。热网菌是海洋火山极端嗜热菌，它是严格厌氧的，在中性条件下利用氢气进行化能无机营养生长。可以说，多数古菌不能利用光能实现光合作用。但不管哪种代谢，它们的共同特点是在极端严酷的环境下代谢极其缓慢。有趣的是，古菌不但适应极端条件，而且只有在这种极端条件下，自身的功能才能实现、发挥作用。如嗜盐杆菌在其细胞质内浓缩了高浓度氯化钾，其中有一种酶只有在高浓度的氯化钾中，才有活性，才能发挥其功能。嗜热菌也是一样，通过代谢的调节来适应高温生活，同一种菌的同一种酶，在低温中培养时并不耐热，而在高温中培养却耐热。这说明古菌已经适应了它生活的环境。



　　结构和功能



　　从分子学角度看，古菌是一群具有独特的基因结构的单细胞生物



　　记者：我们常说结构决定功能，古菌会在极端环境下生存，一定与它的内在的结构、自身的组成有密切关系。今天，基因组学、分子生物学在不断发展，那么从分子、基因的角度看，古菌的适应机理是怎样的？其微观世界有什么特点？



　　黄力：从分子学角度看，古菌是一群具有独特的基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞生物，但是不管是单细胞生物还是多细胞生物，DNA复制是一个极为重要的基本生物学过程。关于动植物和细菌DNA复制的研究已经开展了很长一段时间，对其特点和机制已经有了一定的了解。相比之下，古菌DNA复制的研究则刚刚起步，但意义重大。比如，极端嗜热古菌产生多种DNA结合蛋白，这些蛋白与一般细菌的蛋白是不一样的，他们对于参与DNA代谢的各种独特的酶具有调控作用，而且不同的染色体蛋白在功能上存在着明确分工，所以对于古菌染色体结构及热稳定性有着重要影响。通过科学研究，我们要认识这些蛋白在DNA代谢中的作用及染色体结构与DNA复制等遗传过程之间的关系，揭示极端嗜热古菌遗传信息传递过程的特点。



　　记者：您的意思是说古菌的基因决定了它产生独特的酶和蛋白，以完成其功能。请您把古菌结构与细菌结构比较一下，让我们有更深的认识。



　　黄力：与大多数细菌不同，古菌的细胞壁缺少一种叫肽聚糖的物质。而且，绝大多数细菌和真核生物（即动植物）的细胞膜中的脂类主要由甘油酯组成，而古菌的膜脂由甘油醚构成。这些区别也许是对超高温环境的适应。古菌的鞭毛（细胞的一种结构）成分和形成过程也与细菌不同。在DNA的某些重要的序列中，如核糖体16SrRNA上的核苷酸顺序十分独特。总的来说，古菌在菌体大小、结构及基因组结构方面与细菌相似，但其在遗传信息传递和系统发育的信息物质方面（如基因转录和翻译系统）却更类似于真核生物，比如蛋白质合成起始密码为甲硫氨酸，与真核生物相同。因而目前普遍认为古菌是“细菌的形式，真核生物的内涵”。



　　记者：您说古菌是既不同于细菌又不同于真核生物，这就是古菌被认为是生命的第三种形式的原因吧？



　　黄力：细菌和古菌细胞形态和结构基本一致，同属原核生物。原核生物是指一大类细胞不具核膜，也无核仁，只有核区，称为原核的单细胞生物。而动植物的细胞内的细胞核有核膜、核仁，属于真核（细胞）生物。但正如刚才提到的，古菌在遗传和代谢这些生命的本质特征上更接近于真核细胞，与细菌有着本质的区别。这一特征是上世纪70年代由科学家沃斯及其同事首先发现的，他们随即提出这样的观点，即古菌是不同于细菌和真核生物的另一类特殊生物类群，生物界的发育并不是一个由简单的原核生物发育到较完全、较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细菌和真核生物，这也被称为生物界的三域系统。



　　孰先孰后



　　古菌、细菌、动植物三大生命形式的进化关系有待探索



　　记者：听您这么一说，感觉古菌真的很奇特，它的发现对于生物的进化理论提出了挑战。那么古菌到底是怎样形成的？是最原始的生命吗？与其他细菌和动植物在进化上的关系到底怎样？



　　黄力：沃斯提出“三域说”后，认为细菌、古菌和真核生物各代表了一支具有简单遗传机制的远祖生物的后代。但这种观点缺少有力的证据支持，并未被普遍接受。一些人认为真核生物起源于一个古菌和细菌的融合，二者分别成为细胞核和细胞质，这可以解释基因上的相似性，但在解释细胞结构上却存在困难。科学家对此提出了很多假说，都有待于科学的证实。



　　确实，三大生物领域中有多个生物种类，构成了很复杂的关系，比如，在一些细菌（如栖热袍菌）中发现了和古菌类似的基因。生命进化最根本的表现在于生物基因序列的进化，再影响到相应蛋白质酶的差异和遗传信息表达的差异，因此物种之间的本质联系与区别也要归结到基因序列的相似与相异。所以，要先进一步确定古菌和另两类的关系和区别，就要对古菌进行全面的基因测序。目前有20多个古菌基因组已经完全结束了测序，另外十多个的测序工作正在进行中，等到古菌的基因组全部被揭开，我们的结论才会有更坚实的基础。但是不管怎么说，古菌在几十亿年后的今天默默地为科学研究打开了一扇全新的大门。通过它们，科学家可以更深入地研究生命诞生的奥秘。现在还不知道古菌第一次在地球上起源和最初进化，但对古菌的进化史研究为人们推测生命的起源进化问题开辟了一个新的领域。



　　记者：还是让我们回到古菌的生存界面上：古菌在如此极端环境下还能生存，这对我们以前认为“极端环境应该是生命的禁区”的观点产生了很大的挑战，看来我们要对生命有一个新的认识。



　　黄力：是的，大量的古菌发现让我们震惊于生命的顽强与奇迹，使我们对生命有了一个新的认识。比如高浓度的盐会对生物细胞、特别是细胞中的DNA造成破坏，大多数海洋生物无法在高盐环境中生存。而嗜盐杆菌在不断进化中，适应了高盐环境，已经形成的自我修复机制就会发生作用。可以看出，古菌蕴含着生命进化历程的丰富信息，代表着生命对于环境的极限适应能力，界定了生物圈的“边界”，是生物遗传和功能多样性最为丰富的宝藏。研究极端环境微生物的基本生物学特点及适应机理，对于揭示生物起源的奥秘和发展的规律、阐明生物多样性形成的机制和动力、认识生命与环境的相互作用、尤其是与地球化学变化之间的关系具有极为重要的意义。



　　记者：有一个问题还想和您明确一下，一位天文学家告诉我说，寻找和考察生命首要的一条就是看这个环境里是否有水的存在。那么，不管古菌生活在多么极端条件的环境里，是否也必须有水？



　　黄力：是的，水是生命之源。不管是三域中的哪种生物，都必须有水的参与才能进行遗传、代谢和生存。实际上，细胞内70%是水，各种反应需要有水来溶解，进行水解反应。没有水，就没有生命。



　　小生命大意义



　　古菌在地外生命探索、生物资源开发中扮演重要角色



　　记者：既然我们发现了古菌这样的“极端”生命形式，而且它还不需要氧，那么其他星球如火星有可能存在这种菌吗？



　　黄力：对于古菌的研究将对地外生命的存在形式提供线索。正像你所说的，一些古菌可以在无氧、无阳光、高温或高盐的条件下生存，那么也可能在火星上的相似环境中存在，所以对于火星的生命探索随着对地球古菌的研究找到了突破口并不断被拓宽，同时显得更加神秘而有挑战性。通过火星探测发现，火星大气的甲烷浓度大约为亿分之一，但在火星的环境中甲烷不可能稳定存在，因为阳光很容易使甲烷与氢氧基结合形成水和二氧化碳，而目前又没有证据表明火星上有持续产甲烷的化学过程，因此甲烷很可能是生物过程产生的。有科学家由此推测，作为古菌的最重要的一个种类，“产甲烷菌”就很有可能存在于火星上。在美国地质学联合会年会上有科学家说，一些证据说明了火星上有生命体并持续存在的可能性越来越大。所以说，以产甲烷菌为代表的古菌将成为人类在太空中找寻生命的理论依据。



　　记者：除了对生命研究的意义，现在许多研究机构正在对古菌这种微生物进行开发利用，那么，古菌生物技术开发前景如何？可以应用到哪些领域？



　　黄力：古菌大多生长在普通微生物不能生存的那些极端环境中。它们体内产生的各种酶一般也能在极端的条件下保持活性、稳定性好，而我们的生产、生活中经常会碰到这样的极端条件，所以古菌的各种酶就成了  “宝贝”——用现代生物技术在古菌中提取各种酶，开发出新的资源宝库，造福于人类。古菌极端酶资源的研究与开发利用成为现代生物技术的重要领域，在食品、医药、制革、石油开采及废物处理等方面都显示出巨大的应用潜力。



　　比如，食品加工过程中，通常要经过脂肪水解、蛋白质消化、纤维素水解等过程处理，所以要用到高温环境，这时各种嗜热性古菌蛋白酶、淀粉酶及糖化酶就可以发挥重要作用。例如用淀粉生产果糖浆，普通的葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量很少。于是科学家从某种嗜热古菌中分离出一种超级嗜热的葡萄糖异构酶，这种酶也能把葡萄糖转化为果糖，在高温条件下提高了果糖的产量。造纸工业传统的方法是利用强酸或强碱使木质素被水解，但会产生严重的环境污染。从嗜热菌中分离得到一种木聚糖内切酶，在105℃条件下能有效地去除木质素，减少对化学漂白剂的用量，从而减少了对环境的污染。



　　记者：嗜盐、嗜冷古菌也和嗜热古菌有同样性质的作用和应用吧？



　　黄力：是的，工业生产中有时需要高温，有时也会用到低温，此时嗜冷酶在低温条件下有着很好的稳定性，就可以一展身手，如某种嗜冷菌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶等可作为洗涤剂添加物，能减少能量消耗和对衣物的磨损，如美国华盛顿州立大学研究的嗜冷碱性蛋白酶应用于洗涤剂工业，使加酶洗涤剂在冷水中洗涤效果明显加强，改变了欧洲传统的热水洗涤方法，从而节约能源。在乳酪制造业中，使用嗜冷的凝乳酶可防止剩余的蛋白质水解等等。古菌的另一大类嗜盐菌的酶因其在高盐浓度下仍保持高活性，可应用于处理海产品、酱制品及化工、制药、石油发酵等工业部门排放的高浓度无机盐废水以及海水淡化等方面。目前，对古菌的酶的研究还处于初期阶段，但随着对各种古菌基因结构的深入研究及其适应极端机理的认识，人们将通过基因工程等现代分子生物学技术筛选和重组出许多古菌酶，为生物技术的进一步发展提供资源基础，其工业应用前景会更广阔。



　　记者：我们期待着通过古菌有更多重大的令世人惊喜的发现和应用。



　　黄力：是的，目前，古菌研究正在世界范围内升温，这不仅因为古菌中蕴藏着奇特的、未知的生物学过程和功能，以及有助于阐明生物进化规律的线索，而且还有着不可估量的生物技术开发前景。古菌已经一次又一次让人们吃惊，可以肯定，在未来的岁月中，这群独特的生物将继续向人们展示生命的无穷奥秘。



　　人物档案



　　黄力  博士。现为中国科学院微生物研究所常务副所长，研究员，博士生导师。  1988年在加拿大Guelph大学获得博士学位，1988至1993年在JohnsHopkins大学做博士后，1993至1996年在加州Pomona学院任教，1996年到微生物所工作，2001年起任微生物资源国家重点实验室主任。  1999年获得国家杰出青年基金。  2008年任微生物所常务副所长。主要从事极端嗜热古菌遗传机制及其热适应性的研究。取得了测定了腾冲嗜热菌组序列等多项成果。



　　承担课题：国家自然科学基金重点项目“极端嗜热古菌DNA复制的分子机制”；中科院重要方向项目  “极端嗜热微生物遗传过程及环境适应性机制的蛋白互作分析和相关重要功能基因的研究”；国家973计划课题“科学深钻的地下微生物及地下流体研究”；国家863计划项目“未培养微生物基因资源的利用”等。



　　古菌与能源



　　在石油开采过程中，可以利用一些古菌体内某些特有的酶来提高采油率。现在开采石油一般需要用压裂液或胶在岩石床加压，岩层被压裂后出现裂缝，此时我们可以用酶使压裂液水解，从而降低油的黏度，来加速石油或气体的流出。但由于井下温度很高，常温酶在高温时活力低，怎么办呢？研究人员自然就把目光转向嗜热菌的酶身上，有科学家从嗜热菌中分离得到一种纤维素酶，在100℃时仍具有很高的催化活性，从而达到了高温时使物质水解的效果。古菌及酶采油技术在我国也得到很快发展，许多油田开展了微生物采油技术的推广应用。



　　我们都知道石油和煤燃烧后会排放大量的二氧化硫，进入大气后会污染环境和产生温室效应，那么，我们需要对煤和石油脱硫处理，用微生物除硫现在看来要好于一般的化学方法。早在上世纪80年代，在脱硫过程中利用了嗜热酶，该反应迅速，无硫酸生成，因而具有较高的经济价值和社会效益。再如，石油和煤是不可再生能源，石油和煤面临着短缺，人们在寻找汽油的替代品，我们可以利用嗜热酶催化不同的反应，得到乙醇、甲醇等液体燃料，如嗜热菌在葡萄糖上厌氧生长获得乙醇。