在深海古菌中尋找生命起源

地球上存在著兩大生物圈：一個(gè)是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，另一個(gè)則是存在于地球深部由化能作用支持的“黑暗生物圈”?？茖W(xué)家認(rèn)為，這些隸屬于黑暗生物圈的眾多古菌，有可能與地球上復(fù)雜生命的起源有關(guān)。

南方周末特約撰稿 張淼

“人們一定還記得1866年海上發(fā)生的一件離奇的、神秘的、無(wú)法解釋的怪事。不久以前，好些大船在海上碰見了一個(gè)‘龐然大物，一個(gè)很長(zhǎng)的物體，形狀很像紡錘，有時(shí)發(fā)出磷光，它的體積比鯨魚大得多，行動(dòng)起來(lái)也比鯨魚快得多?！薄逗５變扇f(wàn)里》一開篇，凡爾納描寫一種想象出來(lái)的海底怪物形象。

對(duì)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(xué)家極大的好奇心。

自上世紀(jì)九十年代起，科學(xué)家在一次次遠(yuǎn)航中，獲得了珍貴的海底沉積物，堪稱現(xiàn)實(shí)版的《海底兩萬(wàn)里》。不過(guò)，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(shù)取得長(zhǎng)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(xué)微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授王風(fēng)平領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功解析出一種名為“深古菌”的代謝形式，推進(jìn)了對(duì)古菌在深部生物圈生態(tài)功能的認(rèn)識(shí)，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(zhǎng)達(dá)數(shù)百年對(duì)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。

上世紀(jì)三十年代，美國(guó)斯克利普斯海洋研究所（Scripps）的生物學(xué)家克勞德·左貝爾（Claude ZoBell）和同事發(fā)明了許多工具，找到了海洋微生物的蛛絲馬跡。例如，將一套架子沉入海底，收回架子后，他們?cè)陲@微鏡下觀察到生命體的繁殖。將無(wú)菌的玻璃瓶放進(jìn)海里，幾天后收回，則會(huì)發(fā)現(xiàn)瓶壁黏上了細(xì)菌。

1936年，左貝爾在《石油學(xué)報(bào)》（Aapg Bulletin）上發(fā)表了他在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)微生物的論文?！霸谶h(yuǎn)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(xì)菌?！弊筘悹栐谡撐闹羞@樣敘述。

經(jīng)過(guò)定量研究，左貝爾等人發(fā)現(xiàn)，每克沉積物里包含上百萬(wàn)細(xì)菌，數(shù)量上遠(yuǎn)高于海水里每克幾百個(gè)細(xì)菌。而沉積物中細(xì)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(guān)聯(lián)，僅僅受到沉積物中有機(jī)質(zhì)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(lái)，左貝爾最重要的貢獻(xiàn)，是證實(shí)了海洋沉積物中存在微生物，并推測(cè)一些重要的生化過(guò)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(guò)，當(dāng)時(shí)的生物學(xué)家并沒(méi)有過(guò)多地關(guān)注到左貝爾的新發(fā)現(xiàn)，反而是石油開采領(lǐng)域成了最大的受益者。左貝爾在此基礎(chǔ)上提出石油成藏的原理之一：要是沒(méi)有細(xì)菌，就根本不會(huì)形成石油。“沉積物中的細(xì)菌作用于有機(jī)質(zhì)中的長(zhǎng)鏈烴，把其變成較短的烴鏈。厭氧菌也幫助形成天然氣?！彼赋觥?/p>

直到1979年，美國(guó)阿爾文號(hào)（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(jìn)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(yáng)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(yīng)著整個(gè)熱液生態(tài)系統(tǒng)——約三百多種新型動(dòng)物物種。

隨后，美國(guó)大洋鉆探計(jì)劃（Ocean Drilling Program，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(xué)微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授王風(fēng)平告訴南方周末，從早期、偶然的海底勘測(cè),到通過(guò)大洋鉆探項(xiàng)目來(lái)系統(tǒng)組織開展的系統(tǒng)性探測(cè)，人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在地球上存在兩個(gè)大規(guī)模的生物圈：一個(gè)是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，另一個(gè)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(zhì)?！比鸬錇跗账_拉大學(xué)細(xì)胞與分子生物學(xué)系研究人員吉米·索爾（Jimmy Saw）說(shuō)。

“長(zhǎng)期以來(lái)，深部生物圈被人類忽視，或者說(shuō)由于探測(cè)手段的限制，我們才剛剛開始認(rèn)識(shí)。”王風(fēng)平說(shuō)。

2009年，懷著對(duì)“黑暗生物圈”的好奇心，王風(fēng)平登上了阿爾文號(hào)。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(dāng)時(shí)下潛最深的中國(guó)女科學(xué)家。

“被五顏六色的動(dòng)物、植物包圍，好像置身于‘海底花園?！蓖躏L(fēng)平回憶起海底旅行的“眼見為實(shí)”，遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室里的數(shù)據(jù)分析來(lái)得生動(dòng)。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(guān)生命的秘密，是許多深海微生物研究者的共同信念。

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)微生物系教授卡爾·烏斯（Carl Woese）在對(duì)細(xì)菌的研究中，沒(méi)有按照尋常的道路進(jìn)行。上世紀(jì)七十年代，他拋開了當(dāng)時(shí)流行的細(xì)菌形態(tài)和生物化學(xué)特性研究，轉(zhuǎn)而把注意力放在了原核生物的進(jìn)化關(guān)系上。

“分子結(jié)構(gòu)和序列比傳統(tǒng)形態(tài)能透露出更多關(guān)于微生物親緣關(guān)系的信息。”卡爾·烏斯曾公開表示。按照遺傳學(xué)的中心法則，核糖體RNA承擔(dān)著“轉(zhuǎn)錄”DNA上的遺傳信息，并“翻譯”合成蛋白的任務(wù)。由于蛋白是維持機(jī)體生命的關(guān)鍵，不會(huì)輕易發(fā)生改變，因此，作為合成蛋白的模板，核糖體RNA也應(yīng)當(dāng)在數(shù)億萬(wàn)年的進(jìn)化中保持穩(wěn)定。

卡爾·烏斯的研究正是基于這個(gè)假設(shè)。他認(rèn)為，核糖體RNA應(yīng)當(dāng)是破譯細(xì)菌進(jìn)化之謎的“鑰匙”。隨后，卡爾和同事們比較了來(lái)自不同細(xì)菌、動(dòng)物、植物中核糖核蛋白體的RNA序列，計(jì)劃根據(jù)它們的相似程度排列這些生物的親緣關(guān)系。

1990年，卡爾·烏斯在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院報(bào)》（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(xì)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(zhǎng)，或者在沸騰溫泉中生長(zhǎng)的微生物，卻和它的關(guān)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(zhǎng)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(xì)菌、真核生物并列的“域”（Domain）。他也因?yàn)樘岢觥叭蛳到y(tǒng)”而成為進(jìn)化學(xué)界的泰斗級(jí)人物。

2011年，自然出版集團(tuán)在旗下的一本期刊預(yù)測(cè)，當(dāng)年的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)將頒給屠呦呦或者卡爾·烏斯。不久后，屠呦呦獲得被譽(yù)為諾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)的拉斯科臨床醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，進(jìn)而在2015年如愿獲得諾獎(jiǎng)?？枴跛箙s在2012年12月離世。

不過(guò)，沒(méi)有得到諾獎(jiǎng)的肯定，并不影響“三域系統(tǒng)”對(duì)古菌研究奠定的基礎(chǔ)——最近十幾年，科學(xué)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(hào)下潛歸來(lái)后，王風(fēng)平帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)從海底收獲的沉積物樣品開展了詳細(xì)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(lái)沒(méi)有見過(guò)的新古菌也呈現(xiàn)在研究人員眼前。據(jù)推測(cè)，它可能是一類的高溫獨(dú)特類群。此前，王風(fēng)平在檢測(cè)其他樣品時(shí)，也觀察到了與之相似的古菌的蹤影。因?yàn)闆](méi)有足夠的證據(jù)將其歸類，科學(xué)家只好暫時(shí)將它稱為“雜古菌類群”（Miscellaneous Crenarchaeota Group，MCG）。此次在瓜伊馬斯發(fā)現(xiàn)的新種類，則被命名為MCG-H。

無(wú)獨(dú)有偶，幾年前，挪威卑爾根大學(xué)研究者斯特芬·約根森（Steffen Jorgensen）則在對(duì)“洛基城堡”（Loki's Castle）的探索中，獲得了寶貴的樣品?！奥寤潜ぁ笔且黄紳M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(xué)細(xì)胞和分子生物學(xué)系的泰斯·艾特瑪（Thijs Ettema）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(guò)的構(gòu)成細(xì)胞骨架的蛋白質(zhì)。泰斯·艾特瑪認(rèn)為，洛基古菌的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了古菌如何演化成真核細(xì)胞的空白，這也是從簡(jiǎn)單細(xì)胞到復(fù)雜細(xì)胞的進(jìn)化過(guò)程中缺失的一環(huán)。

“現(xiàn)代生物學(xué)中，真核細(xì)胞的來(lái)源仍是謎題之一。最近，有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，真核細(xì)胞來(lái)源于古菌域?！?015年5月6日，有關(guān)洛基古菌的研究成果在《自然》（Nature）上在線發(fā)表，論文開宗明義。

文章在線發(fā)表時(shí)，泰斯辦公室的電話被同行和媒體打爆了。許多研究者認(rèn)為，泰斯的新發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)了卡爾·烏斯的“三域系統(tǒng)”——今天地球上所有的復(fù)雜生命都源自古菌。

多樣化的代謝

近年來(lái),隨著深海鉆探和采樣技術(shù)的發(fā)展，加上高通量測(cè)序、宏基因組技術(shù)、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(zhì)的諸多工具。

由于古菌原本生活在極端環(huán)境里，生長(zhǎng)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(wú)法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)?！俺允裁床恢溃谑裁礂l件下繁殖也不知道。”在王風(fēng)平看來(lái)，這成為古菌研究長(zhǎng)久以來(lái)發(fā)展緩慢的重要原因之一，“比如，1999年，日本科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了MCG古菌，但遲遲沒(méi)有給它編號(hào)、歸類，到2013年之前學(xué)界都沒(méi)有一篇關(guān)于它的論文發(fā)表。”

2002年，王風(fēng)平回國(guó)后來(lái)到國(guó)家海洋局第三海洋研究所工作，便注意到當(dāng)時(shí)還不知道應(yīng)當(dāng)如何命名的MCG古菌。在檢測(cè)很多來(lái)自世界各處的樣品時(shí)，她都發(fā)現(xiàn)了這種奇怪古菌的痕跡?！昂Ｑ蟪练e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?！蓖躏L(fēng)平告訴南方周末。

研究人員推測(cè)，MCG古菌無(wú)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(gè)細(xì)胞，是地球上含量最豐富的微生物之一。這個(gè)數(shù)字比科學(xué)家最新測(cè)算的宇宙中恒星總數(shù)還要大5個(gè)數(shù)量級(jí)，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(fēng)平極大的興趣。

首先要認(rèn)識(shí)它是誰(shuí)。2013年，王風(fēng)平帶領(lǐng)研究小組發(fā)現(xiàn)MCG古菌在系統(tǒng)發(fā)育上處于一個(gè)新分支，顯著不同于目前分類已確定的所有古菌門類?！八砹艘活愖匀唤绫容^古老的古菌，因此，我們提議將MCG古菌歸類于一個(gè)全新的門類，命名為‘深古菌門（Bathyarchaeota）?！蓖躏L(fēng)平表示。

這項(xiàng)成果發(fā)表在國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊（The ISME Journal）上，是目前首個(gè)由中國(guó)學(xué)者提議的古菌門分類，被視為中國(guó)在古菌和生命起源及演化研究的重要貢獻(xiàn)之一。

然后，研究人員大膽推測(cè)，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(jìn)一步的研究圍繞深古菌的代謝方式?；蚣夹g(shù)就派上了用場(chǎng)。研究人員利用組學(xué)技術(shù)，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(guò)程中一種被稱為“乙酸激酶”的基因，最終成功驗(yàn)證其具有功能。

這是首次發(fā)現(xiàn)和證實(shí)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(shí)具有代謝芳香烴化合物、纖維素，以及利用無(wú)機(jī)碳自養(yǎng)合成乙酸的功能?！坝袡C(jī)碳、蛋白質(zhì)、糖，蝦蟹殼中的幾丁質(zhì)，甚至二氧化碳，都可以成為它的‘食物?！蹦玫竭@樣的結(jié)果，王風(fēng)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(qū)動(dòng)者?！?/p>

如今，隨著“蛟龍?zhí)枴薄按笱笠惶?hào)”等中國(guó)海洋科學(xué)考察裝備的不斷進(jìn)步，研究者們相信，中國(guó)學(xué)者將能在“黑暗生物圈”研究中扮演越來(lái)越重要的角色。