在深海古菌中寻找生命起源

地球上存在着两大生物圈：一个是我们所熟知的由光合作用维持的地表生物圈，另一个则是存在于地球深部由化能作用支持的“黑暗生物圈”。科学家认为，这些隶属于黑暗生物圈的众多古菌，有可能与地球上复杂生命的起源有关。

南方周末特约撰稿 张淼

“人们一定还记得1866年海上发生的一件离奇的、神秘的、无法解释的怪事。不久以前，好些大船在海上碰见了一个‘庞然大物，一个很长的物体，形状很像纺锤，有时发出磷光，它的体积比鲸鱼大得多，行动起来也比鲸鱼快得多。”《海底两万里》一开篇，凡尔纳描写一种想象出来的海底怪物形象。

对于深海，黑暗环境、巨大压力和奇怪生物，总让人充满了想象力。而深海的未知环境，激发了科学家极大的好奇心。

自上世纪九十年代起，科学家在一次次远航中，获得了珍贵的海底沉积物，堪称现实版的《海底两万里》。不过，他们的新发现，并不是可怕的庞然大物，而是体积微小而数量众多的微生物——古菌（Archaea）。在生物技术取得长足发展的今天，这种可能是地球上最古老生命体的秘密开始被一一解开。

最近，上海交通大学微生物海洋学实验室教授王风平领导的研究小组成功解析出一种名为“深古菌”的代谢形式，推进了对古菌在深部生物圈生态功能的认识，也为查明早期生命的起源打开了新的窗口。

黑暗生物圈

在长达数百年对海洋的探索中，人类注意到肉眼不可见的微生物，还是最近几十年的事。

上世纪三十年代，美国斯克利普斯海洋研究所（Scripps）的生物学家克劳德·左贝尔（Claude ZoBell）和同事发明了许多工具，找到了海洋微生物的蛛丝马迹。例如，将一套架子沉入海底，收回架子后，他们在显微镜下观察到生命体的繁殖。将无菌的玻璃瓶放进海里，几天后收回，则会发现瓶壁黏上了细菌。

1936年，左贝尔在《石油学报》（Aapg Bulletin）上发表了他在海洋沉积物中发现微生物的论文。“在远离南加州海岸的海洋深处，海洋沉积物里有比水里丰富得多的细菌。”左贝尔在论文中这样叙述。

经过定量研究，左贝尔等人发现，每克沉积物里包含上百万细菌，数量上远高于海水里每克几百个细菌。而沉积物中细菌的数量，似乎和水深、海洋温度及与大陆的距离不存在紧密关联，仅仅受到沉积物中有机质含量的影响。此外，左贝尔还开展了沉积物中需氧菌和厌氧菌的分析。

在海洋微生物研究者们看来，左贝尔最重要的贡献，是证实了海洋沉积物中存在微生物，并推测一些重要的生化过程可能正在沉积物中发生，如水解、氨化、生产甲烷、纤维素和葡萄糖降解等。

不过，当时的生物学家并没有过多地关注到左贝尔的新发现，反而是石油开采领域成了最大的受益者。左贝尔在此基础上提出石油成藏的原理之一：要是没有细菌，就根本不会形成石油。“沉积物中的细菌作用于有机质中的长链烃，把其变成较短的烃链。厌氧菌也帮助形成天然气。”他指出。

直到1979年，美国阿尔文号（Alvin）深潜器首次在太平洋的加拉帕戈斯（Galapagos）洋中脊发现了深海热液喷口和热液生态系统，左贝尔的发现才得到进一步重视。

在2500米深处热液口环境中，研究人员发现了大量自养微生物。这些微生物并不像普通生物以阳光、氧气为能量维系生命，环境中大量存在的硫化物才是他们的“食物”。还有，这些奇怪的微生物竟然作为生产者供应着整个热液生态系统——约三百多种新型动物物种。

随后，美国大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）在1994年的一次钻探中，在海床下数百米深的沉积物样品中又发现了具有活性的微生物。

上海交通大学微生物海洋学实验室教授王风平告诉南方周末，从早期、偶然的海底勘测,到通过大洋钻探项目来系统组织开展的系统性探测，人类已经认识到在地球上存在两个大规模的生物圈：一个是我们所熟知的由光合作用维持的地表生物圈，另一个则是存在于地球深部由化能作用支持的“黑暗生物圈”。

“我们叫它‘微生物暗物质。”瑞典乌普萨拉大学细胞与分子生物学系研究人员吉米·索尔（Jimmy Saw）说。

“长期以来，深部生物圈被人类忽视，或者说由于探测手段的限制，我们才刚刚开始认识。”王风平说。

2009年，怀着对“黑暗生物圈”的好奇心，王风平登上了阿尔文号。此次以“深海热液口的黑暗生命研究”为主题的航行中，她在瓜伊马斯海盆下潜到2012米深，成为当时下潜最深的中国女科学家。

“被五颜六色的动物、植物包围，好像置身于‘海底花园。”王风平回忆起海底旅行的“眼见为实”，远比实验室里的数据分析来得生动。这次旅行也让她相信，深海微生物可能隐藏了大量生命起源的秘密。

地球生命的源头

揭示有关生命的秘密，是许多深海微生物研究者的共同信念。

美国伊利诺伊大学微生物系教授卡尔·乌斯（Carl Woese）在对细菌的研究中，没有按照寻常的道路进行。上世纪七十年代，他抛开了当时流行的细菌形态和生物化学特性研究，转而把注意力放在了原核生物的进化关系上。

“分子结构和序列比传统形态能透露出更多关于微生物亲缘关系的信息。”卡尔·乌斯曾公开表示。按照遗传学的中心法则，核糖体RNA承担着“转录”DNA上的遗传信息，并“翻译”合成蛋白的任务。由于蛋白是维持机体生命的关键，不会轻易发生改变，因此，作为合成蛋白的模板，核糖体RNA也应当在数亿万年的进化中保持稳定。

卡尔·乌斯的研究正是基于这个假设。他认为，核糖体RNA应当是破译细菌进化之谜的“钥匙”。随后，卡尔和同事们比较了来自不同细菌、动物、植物中核糖核蛋白体的RNA序列，计划根据它们的相似程度排列这些生物的亲缘关系。

1990年，卡尔·乌斯在《美国国家科学院院报》（PNAS）上宣布了他的重要发现。一种能产生甲烷的微生物从外形上看是与大肠杆菌一样的“细菌”。核糖体RNA序列上却显示，它与大肠杆菌并不是“近亲”。那些在高浓度盐水中生长，或者在沸腾温泉中生长的微生物，却和它的关系非常亲密。

产生甲烷、害怕氧气、高盐、高温，这些条件让卡尔·乌斯联想到地球早期的环境。他据此推断，这些奇异的微生物在早期地球上占有统治地位，“它们很可能是地球上最古老的生命”。

有研究者这样比喻，如果将地球约46亿年的年龄比作一年，那么人类的诞生大约在12月，而生长于热泉、海底或盐湖中的古菌则出生于3月。

卡尔·乌斯把这类奇异的微生物称为“古菌”（Archaea），成为与细菌、真核生物并列的“域”（Domain）。他也因为提出“三域系统”而成为进化学界的泰斗级人物。

2011年，自然出版集团在旗下的一本期刊预测，当年的诺贝尔生理学与医学奖将颁给屠呦呦或者卡尔·乌斯。不久后，屠呦呦获得被誉为诺奖风向标的拉斯科临床医学奖，进而在2015年如愿获得诺奖。卡尔·乌斯却在2012年12月离世。

不过，没有得到诺奖的肯定，并不影响“三域系统”对古菌研究奠定的基础——最近十几年，科学家不断发现新的古菌种类，并按照门、纲、目、科、属的规则日益完善古菌的分类系统。

从阿尔文号下潜归来后，王风平带领研究团队对从海底收获的沉积物样品开展了详细分析。数量巨大的古菌让他们感到兴奋。而使用卡尔·乌斯考察核糖体RNA的老办法，他们看到样品中多数是嗜热微生物。

一类从来没有见过的新古菌也呈现在研究人员眼前。据推测，它可能是一类的高温独特类群。此前，王风平在检测其他样品时，也观察到了与之相似的古菌的踪影。因为没有足够的证据将其归类，科学家只好暂时将它称为“杂古菌类群”（Miscellaneous Crenarchaeota Group，MCG）。此次在瓜伊马斯发现的新种类，则被命名为MCG-H。

无独有偶，几年前，挪威卑尔根大学研究者斯特芬·约根森（Steffen Jorgensen）则在对“洛基城堡”（Loki's Castle）的探索中，获得了宝贵的样品。“洛基城堡”是一片布满热泉口的大洋中脊，深2352米，位于格陵兰岛和挪威之间。样品传递到瑞典乌普萨拉大学细胞和分子生物学系的泰斯·艾特玛（Thijs Ettema）手上。泰斯·艾特玛发现了一种具有里程碑意义的新古菌——洛基古菌（Lokiarchaeota，Loki）。

尽管属古菌域，洛基古菌却与真核生物共有许多基因，例如，从前只在真核生物中被发现过的构成细胞骨架的蛋白质。泰斯·艾特玛认为，洛基古菌的发现填补了古菌如何演化成真核细胞的空白，这也是从简单细胞到复杂细胞的进化过程中缺失的一环。

“现代生物学中，真核细胞的来源仍是谜题之一。最近，有强有力的证据表明，真核细胞来源于古菌域。”2015年5月6日，有关洛基古菌的研究成果在《自然》（Nature）上在线发表，论文开宗明义。

文章在线发表时，泰斯办公室的电话被同行和媒体打爆了。许多研究者认为，泰斯的新发现，挑战了卡尔·乌斯的“三域系统”——今天地球上所有的复杂生命都源自古菌。

多样化的代谢

近年来,随着深海钻探和采样技术的发展，加上高通量测序、宏基因组技术、RNA基因和功能基因研究，古菌研究者不仅获得了大量深海沉积物样本，也具备了能深入了解古菌性质的诸多工具。

由于古菌原本生活在极端环境里，生长条件并不清楚，所以，现在已经发现的绝大多数古菌都无法在实验室进行培养。“吃什么不知道，在什么条件下繁殖也不知道。”在王风平看来，这成为古菌研究长久以来发展缓慢的重要原因之一，“比如，1999年，日本科学家就发现了MCG古菌，但迟迟没有给它编号、归类，到2013年之前学界都没有一篇关于它的论文发表。”

2002年，王风平回国后来到国家海洋局第三海洋研究所工作，便注意到当时还不知道应当如何命名的MCG古菌。在检测很多来自世界各处的样品时，她都发现了这种奇怪古菌的痕迹。“海洋沉积物里、土壤里，到处都有它，我甚至怀疑我家小区院子里的花坛里也有它。”王风平告诉南方周末。

研究人员推测，MCG古菌无所不在，它在自然界的含量约为2至3.9乘以10的28次方个细胞，是地球上含量最丰富的微生物之一。这个数字比科学家最新测算的宇宙中恒星总数还要大5个数量级，算得上真正的“天文数字”。

从海底到地面，环境差异如此之大，分布如此广泛，这种古菌引发了王风平极大的兴趣。

首先要认识它是谁。2013年，王风平带领研究小组发现MCG古菌在系统发育上处于一个新分支，显著不同于目前分类已确定的所有古菌门类。“它代表了一类自然界比较古老的古菌，因此，我们提议将MCG古菌归类于一个全新的门类，命名为‘深古菌门（Bathyarchaeota）。”王风平表示。

这项成果发表在国际微生物生态学会会刊（The ISME Journal）上，是目前首个由中国学者提议的古菌门分类，被视为中国在古菌和生命起源及演化研究的重要贡献之一。

然后，研究人员大胆推测，这种深古菌分布广泛的原因可能是它多样化的代谢方式。

进一步的研究围绕深古菌的代谢方式。基因技术就派上了用场。研究人员利用组学技术，从深古菌的基因中找到了能够自养乙酸合成的基因片段。最后，他们克隆了自养乙酸合成过程中一种被称为“乙酸激酶”的基因，最终成功验证其具有功能。

这是首次发现和证实古菌具有自养产乙酸的代谢方式。

此外，他们还发现深古菌同时具有代谢芳香烃化合物、纤维素，以及利用无机碳自养合成乙酸的功能。“有机碳、蛋白质、糖，虾蟹壳中的几丁质，甚至二氧化碳，都可以成为它的‘食物。”拿到这样的结果，王风平很兴奋，“我们几乎可以断定，深古菌是海洋沉积物汇总和生态系统的核心驱动者。”

如今，随着“蛟龙号”“大洋一号”等中国海洋科学考察装备的不断进步，研究者们相信，中国学者将能在“黑暗生物圈”研究中扮演越来越重要的角色。