淺議古細(xì)菌研究及其必要性

□ 溫宇旸

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 海淀 100083）

一、研究古細(xì)菌的必要性和重要性

在歷史的長河中，在進(jìn)化過程中，各種生命逐漸形成，它們品種多樣，多姿多彩。根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，適者生存，物競天擇，在復(fù)雜的生命演變進(jìn)程中，有許多物種被自然淘汰，也有許多物種順應(yīng)自然的變化而變化，仍然堅(jiān)強(qiáng)演繹著生命禮贊。更讓人們覺得不可思議的是，在極度高溫的深海火山口處、在陸地高達(dá)上百度的熱泉里、在酸堿度極高足以殺死很多生物的鹽堿湖里……在這么多貌似無法生存的環(huán)境下，竟然發(fā)現(xiàn)了一些生物的存在，而這種惡劣條件又和地球形成早期的環(huán)境即太古時期的環(huán)境特別相似。這就不由得激起人們的科學(xué)研究的愿望，大家都很好奇它們的適應(yīng)性，太古時期的生物是如何生存的？在那種環(huán)境下都能生存，究竟是依靠什么？研究它們，對闡明生命起源尤其有著非同一般的意義，這些古生物在細(xì)胞進(jìn)化中扮演什么角色？聯(lián)系當(dāng)下實(shí)際，它們的生存對現(xiàn)今社會的科學(xué)發(fā)展有沒有借鑒意義？本文將要探討的最古老的生命之一——古細(xì)菌，這種生物就是在上述提到的在惡劣條件和地球形成早期的環(huán)境即太古時期特別相似的情況下，還依然能夠生存的細(xì)菌。

（一）古細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)

過去，古細(xì)菌雖然一直存在在地球上，由于研究的技術(shù)和手段有限，對古細(xì)菌的了解還是很有限，或者是處于未知領(lǐng)域，而且關(guān)于“古細(xì)菌”這個概念，直到1977年，才由美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese和George Fox提出的，Carl Woese等人使用了他們自己精心創(chuàng)造的技術(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)地分析，對高達(dá)上百種的真核生物（也含括中間部分細(xì)胞器、細(xì)菌），通過對上述真核生物、細(xì)菌的16S/18SribosomalRNA的寡核苷酸oligonucleotide譜，重點(diǎn)關(guān)注在16SrRNA即16SribosomalRNA的系統(tǒng)發(fā)生樹上，與部分原核生物是否存在差別。美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese通過多次比對研究，確定它們是新的生物，完全不同于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、被命名的生物，有鑒于此，美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese決定重新命名，一類生物是被命名為細(xì)菌，一類生物是被命名為古菌。這次發(fā)現(xiàn)的最重要的成果是，提出了近代的生物分類理論，將生物分為真細(xì)菌域（Domain Bacteria）、古細(xì)菌域（Domain Archaea）、真核生物域（Domain Eukarya），也就是三域系統(tǒng)（Threedomainsystem）。

（二）古細(xì)菌的分類

當(dāng)前，在實(shí)驗(yàn)室可以培養(yǎng)的古細(xì)菌分為三類：產(chǎn)甲烷細(xì)菌、極端嗜鹽細(xì)菌、極端嗜熱細(xì)菌。

產(chǎn)甲烷菌，是一類非常嚴(yán)格厭氧的古細(xì)菌，這類古生物，生活在無氧的環(huán)境中，卻能利用CO2，使H2氧化，從而生成了甲烷，同時釋放一定的能量。

極端嗜鹽細(xì)菌，在鹽飽和環(huán)境中都能生長，這類古細(xì)菌在非常高的鹽度環(huán)境中能夠生活，生存鹽度最適宜25%，這類古細(xì)菌有的還可以生活在鹽度高達(dá)32%的環(huán)境中，大部分被發(fā)現(xiàn)的這類古細(xì)菌生活在鹽田、鹽湖、死海里面。

極端嗜熱細(xì)菌，這類古細(xì)菌能在90℃以上的高溫環(huán)境中存活，它們中間大部分也都是嚴(yán)格厭氧生物，德國人K.Stetter曾經(jīng)在意大利海底發(fā)現(xiàn)可以生活在110℃的高溫一族古細(xì)菌，但這些古細(xì)菌在84℃就不再生長了，可見是非常喜熱的一類古細(xì)菌，和一般生物大不一樣。

（三）古細(xì)菌的研究價值

在已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌中，可以看出，它們大部分生活在非常惡劣的環(huán)境中，也就是在高鹽分、高溫度、高酸性和高堿度等極端惡劣的條件下生存。從生態(tài)學(xué)的角度而言，尤其是與真細(xì)菌相比，古細(xì)菌的生態(tài)幅實(shí)際非常狹隘。但是正是由于古細(xì)菌生長環(huán)境的極端特殊性，它的生長環(huán)境基本上就意味著生命界的極限，而且通過研究它的分布范圍，可以更深一步確定生物圈的邊界。此外，古細(xì)菌棲息的極端惡劣環(huán)境與地球形成早期的惡劣條件特別是生命起源時期的環(huán)境非常類似。在美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese和George Fox經(jīng)過試驗(yàn)提出理論之前，一般是將細(xì)胞形態(tài)分為原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩大類。只有1977年美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese等人發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌后，生物才被分為三大類：真細(xì)菌域（Domain Bacteria）、古細(xì)菌域（Domain Archaea）、真核生物域（Domain Eukarya）。1977年美國的微生物學(xué)家和物理學(xué)家Carl Woese和George Fox等人的發(fā)現(xiàn)為更深入的探索生命起源、研究真核細(xì)胞起源，都有著非同尋常的幫助作用。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有的古細(xì)菌可進(jìn)行光合作用，但這類古細(xì)菌的光合色素卻又和植物葉綠素類分子并不相同，而是類似于動物視網(wǎng)膜上視紫紅質(zhì)。由此可見，研究古細(xì)菌和其它兩類生物的關(guān)系，探討古細(xì)菌的新陳代謝方式，確實(shí)可以為更深入的闡明生命起源、探索生物演變進(jìn)程提供更好的研究平臺。故而，人類應(yīng)該利用最新的技術(shù)手段，尤其是分子技術(shù)手段（主要考慮到尚未能成功培育大部分古細(xì)菌），如高通量測序技術(shù)，作為更深層次了解古細(xì)菌的平臺。與此同時，也可以看出，通過研究古細(xì)菌的生存環(huán)境、古細(xì)菌的代謝特點(diǎn)，還可以為微生物遺傳、生理和分類的研究提供一些新的材料、新的課題，也可為實(shí)際生活中在惡劣環(huán)境下資源的尋找和開采，能提供更加堅(jiān)強(qiáng)有力的科學(xué)技術(shù)支撐和保障。

此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些古細(xì)菌種類，如產(chǎn)甲烷菌，能夠生存于反芻動物的消化道中，但反芻動物瘤胃因?yàn)榇嬖诹水a(chǎn)甲烷菌，在產(chǎn)甲烷菌的作用下，不可避免地產(chǎn)生大量甲烷，鑒于目前我國反芻動物養(yǎng)殖已經(jīng)上了一定規(guī)模，并且甲烷的溫室效應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于CO2，加上目前尚未能培育成功出大部分古細(xì)菌，這也為調(diào)控溫室效應(yīng)增加難題。令人困惑的是，反芻動物釋放的甲烷卻又是重要的生物能源之一。故而，我們更應(yīng)該好好地了解古細(xì)菌，并做深入研究，以便充分利用古細(xì)菌為我所用。

正是由于古細(xì)菌各種各樣的未知，古細(xì)菌未知的生理過程，古細(xì)菌令人矚目的功能和前景，古細(xì)菌蘊(yùn)含的不可估量的生物技術(shù)開發(fā)前景，古細(xì)菌神奇的生存環(huán)境，讓這些古細(xì)菌所獨(dú)有的生命潛能給我們帶來無窮的奧秘。

二、古細(xì)菌對部分抗生素耐藥性的原因

相對于真細(xì)菌而言，古細(xì)菌對某些抗生素表現(xiàn)出較高的耐藥性或者說不敏感，原因：一是古細(xì)菌和真細(xì)菌相比，細(xì)胞壁不含有聚糖骨架，只是含蛋白質(zhì)和多糖，最多可能還會含有“假胞壁質(zhì)”，古細(xì)菌的細(xì)胞壁合成不受青霉素干擾，而青霉素的藥理作用是干擾細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，是故古細(xì)菌能對于青霉素等抗生素具有耐藥性；二是古細(xì)菌依賴于DNA的RNA聚合酶，也與真細(xì)菌的不一樣，它們對利福霉素、利鏈菌素有較高的耐藥性，利福平的作用機(jī)理是通過抑制依賴DNA的RNA聚合酶，使RNA聚合酶失去了活性，從而影響到細(xì)菌的RNA合成，達(dá)到抑制細(xì)菌和殺死細(xì)菌目的。此外，古細(xì)菌的16S和5SRNA的核苷酸排列順序，也與真細(xì)菌的存在明顯不同。古細(xì)菌的翻譯作用對氯霉素不敏感，但是白喉毒素能夠抑制它，而后者對真細(xì)菌無效。研究中還發(fā)現(xiàn)，真核生物的翻譯還能被白喉毒素抑制。

三、古細(xì)菌特征證明

卡爾文循環(huán)中的關(guān)鍵酶之一有1，5-二磷酸核酮糖叛化酶。如果利用同位素技術(shù)，可以證明，在嗜酸熱硫氧化古細(xì)菌中，1，5-二磷酸核酮糖駿化酶根本不存在，這間接說明了卡爾文循環(huán)是不存在的。如果用氧化硫硫桿菌作為此次實(shí)驗(yàn)的對照菌株，可以用來比較二者在固定CO2方面的差異性。仔細(xì)對比表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以看出，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶僅僅是存在于氧化硫硫桿菌之中，而且高活牲被表現(xiàn)出來，但是我們在數(shù)據(jù)中觀察到，嗜酸熱硫球菌中，沒能夠發(fā)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)。

表1 菌種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

此次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，和其它古細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是比較相一致的，進(jìn)一步證明了嗜酸熱硫球菌在固定CO2的途徑方面，是明顯不同于那些真細(xì)菌的。但是嗜酸熱硫球菌究竟如何來固定CO2，還值得我們加大研究力度。

四、產(chǎn)甲烷細(xì)菌代謝網(wǎng)絡(luò)的分析比對

本文選取了寬廣古細(xì)菌中的甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales） 中的常溫產(chǎn)甲烷菌M.acetivorans和甲烷火菌目 （ Methanopyrales） 中的嗜熱產(chǎn)甲烷菌M.kandleri。

對常溫產(chǎn)甲烷菌和嗜熱產(chǎn)甲烷菌的基因組信息進(jìn)行比對，見表2。

表2 基因組信息比對

（一）整體網(wǎng)絡(luò)的比對

MI-GRAAL算法中，基本忽略了網(wǎng)絡(luò)中的自循環(huán)，雙邊和方向，在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)的情況為：嗜熱產(chǎn)甲烷菌代謝網(wǎng)絡(luò)含有181個節(jié)點(diǎn)和332條邊。常溫產(chǎn)甲烷菌代謝網(wǎng)絡(luò)含有節(jié)點(diǎn)296個，邊有756條。

由于算法導(dǎo)致結(jié)果的隨機(jī)性，因此每個度量值分別運(yùn)行十次，邊的正確性用EC表示.EC值越大，表明兩個網(wǎng)絡(luò)的匹配程度越高。結(jié)果見表3。

表3 整體網(wǎng)絡(luò)比對

（二）Hub模塊網(wǎng)絡(luò)的比對

通過以上比對，可以看出M.acetivorans與M.kandleri的代謝途徑的拓?fù)浠疽恢?。（結(jié)果見表4）

表4 模塊網(wǎng)絡(luò)比對

五、結(jié)語

通過對古生物細(xì)菌從耐受性分析、存在的地理位置、次生代謝的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的多層次了解，可以發(fā)現(xiàn)，古生物細(xì)菌的研究為更深入的闡明生命起源、探索生物演變進(jìn)程提供了很好的平臺，尤其對于惡劣環(huán)境下，尋找資源，開采資源，如何提供強(qiáng)有力的科技支撐和技術(shù)保障，還有較多的增長與發(fā)展空間。