浅议古细菌研究及其必要性

2021-12-22温宇旸

黑龙江粮食 2021年11期

□ 温宇旸

（中国农业大学，北京海淀 100083）

一、研究古细菌的必要性和重要性

在历史的长河中，在进化过程中，各种生命逐渐形成，它们品种多样，多姿多彩。根据达尔文的进化论，适者生存，物竞天择，在复杂的生命演变进程中，有许多物种被自然淘汰，也有许多物种顺应自然的变化而变化，仍然坚强演绎着生命礼赞。更让人们觉得不可思议的是，在极度高温的深海火山口处、在陆地高达上百度的热泉里、在酸碱度极高足以杀死很多生物的盐碱湖里……在这么多貌似无法生存的环境下，竟然发现了一些生物的存在，而这种恶劣条件又和地球形成早期的环境即太古时期的环境特别相似。这就不由得激起人们的科学研究的愿望，大家都很好奇它们的适应性，太古时期的生物是如何生存的？在那种环境下都能生存，究竟是依靠什么？研究它们，对阐明生命起源尤其有着非同一般的意义，这些古生物在细胞进化中扮演什么角色？联系当下实际，它们的生存对现今社会的科学发展有没有借鉴意义？本文将要探讨的最古老的生命之一——古细菌，这种生物就是在上述提到的在恶劣条件和地球形成早期的环境即太古时期特别相似的情况下，还依然能够生存的细菌。

（一）古细菌的发现

过去，古细菌虽然一直存在在地球上，由于研究的技术和手段有限，对古细菌的了解还是很有限，或者是处于未知领域，而且关于“古细菌”这个概念，直到1977年，才由美国的微生物学家和物理学家Carl Woese和George Fox提出的，Carl Woese等人使用了他们自己精心创造的技术，通过多次实验，详细地分析，对高达上百种的真核生物（也含括中间部分细胞器、细菌），通过对上述真核生物、细菌的16S/18SribosomalRNA的寡核苷酸oligonucleotide谱，重点关注在16SrRNA即16SribosomalRNA的系统发生树上，与部分原核生物是否存在差别。美国的微生物学家和物理学家Carl Woese通过多次比对研究，确定它们是新的生物，完全不同于已经发现的、被命名的生物，有鉴于此，美国的微生物学家和物理学家Carl Woese决定重新命名，一类生物是被命名为细菌，一类生物是被命名为古菌。这次发现的最重要的成果是，提出了近代的生物分类理论，将生物分为真细菌域（Domain Bacteria）、古细菌域（Domain Archaea）、真核生物域（Domain Eukarya），也就是三域系统（Threedomainsystem）。

（二）古细菌的分类

当前，在实验室可以培养的古细菌分为三类：产甲烷细菌、极端嗜盐细菌、极端嗜热细菌。

产甲烷菌，是一类非常严格厌氧的古细菌，这类古生物，生活在无氧的环境中，却能利用CO2，使H2氧化，从而生成了甲烷，同时释放一定的能量。

极端嗜盐细菌，在盐饱和环境中都能生长，这类古细菌在非常高的盐度环境中能够生活，生存盐度最适宜25%，这类古细菌有的还可以生活在盐度高达32%的环境中，大部分被发现的这类古细菌生活在盐田、盐湖、死海里面。

极端嗜热细菌，这类古细菌能在90℃以上的高温环境中存活，它们中间大部分也都是严格厌氧生物，德国人K.Stetter曾经在意大利海底发现可以生活在110℃的高温一族古细菌，但这些古细菌在84℃就不再生长了，可见是非常喜热的一类古细菌，和一般生物大不一样。

（三）古细菌的研究价值

在已经被发现的古细菌中，可以看出，它们大部分生活在非常恶劣的环境中，也就是在高盐分、高温度、高酸性和高碱度等极端恶劣的条件下生存。从生态学的角度而言，尤其是与真细菌相比，古细菌的生态幅实际非常狭隘。但是正是由于古细菌生长环境的极端特殊性，它的生长环境基本上就意味着生命界的极限，而且通过研究它的分布范围，可以更深一步确定生物圈的边界。此外，古细菌栖息的极端恶劣环境与地球形成早期的恶劣条件特别是生命起源时期的环境非常类似。在美国的微生物学家和物理学家Carl Woese和George Fox经过试验提出理论之前，一般是将细胞形态分为原核细胞和真核细胞两大类。只有1977年美国的微生物学家和物理学家Carl Woese等人发现古细菌后，生物才被分为三大类：真细菌域（Domain Bacteria）、古细菌域（Domain Archaea）、真核生物域（Domain Eukarya）。1977年美国的微生物学家和物理学家Carl Woese和George Fox等人的发现为更深入的探索生命起源、研究真核细胞起源，都有着非同寻常的帮助作用。

科学家发现，有的古细菌可进行光合作用，但这类古细菌的光合色素却又和植物叶绿素类分子并不相同，而是类似于动物视网膜上视紫红质。由此可见，研究古细菌和其它两类生物的关系，探讨古细菌的新陈代谢方式，确实可以为更深入的阐明生命起源、探索生物演变进程提供更好的研究平台。故而，人类应该利用最新的技术手段，尤其是分子技术手段（主要考虑到尚未能成功培育大部分古细菌），如高通量测序技术，作为更深层次了解古细菌的平台。与此同时，也可以看出，通过研究古细菌的生存环境、古细菌的代谢特点，还可以为微生物遗传、生理和分类的研究提供一些新的材料、新的课题，也可为实际生活中在恶劣环境下资源的寻找和开采，能提供更加坚强有力的科学技术支撑和保障。

此外，科学家发现一些古细菌种类，如产甲烷菌，能够生存于反刍动物的消化道中，但反刍动物瘤胃因为存在了产甲烷菌，在产甲烷菌的作用下，不可避免地产生大量甲烷，鉴于目前我国反刍动物养殖已经上了一定规模，并且甲烷的温室效应该远远要高于CO2，加上目前尚未能培育成功出大部分古细菌，这也为调控温室效应增加难题。令人困惑的是，反刍动物释放的甲烷却又是重要的生物能源之一。故而，我们更应该好好地了解古细菌，并做深入研究，以便充分利用古细菌为我所用。

正是由于古细菌各种各样的未知，古细菌未知的生理过程，古细菌令人瞩目的功能和前景，古细菌蕴含的不可估量的生物技术开发前景，古细菌神奇的生存环境，让这些古细菌所独有的生命潜能给我们带来无穷的奥秘。

二、古细菌对部分抗生素耐药性的原因

相对于真细菌而言，古细菌对某些抗生素表现出较高的耐药性或者说不敏感，原因：一是古细菌和真细菌相比，细胞壁不含有聚糖骨架，只是含蛋白质和多糖，最多可能还会含有“假胞壁质”，古细菌的细胞壁合成不受青霉素干扰，而青霉素的药理作用是干扰细菌细胞壁的合成，是故古细菌能对于青霉素等抗生素具有耐药性；二是古细菌依赖于DNA的RNA聚合酶，也与真细菌的不一样，它们对利福霉素、利链菌素有较高的耐药性，利福平的作用机理是通过抑制依赖DNA的RNA聚合酶，使RNA聚合酶失去了活性，从而影响到细菌的RNA合成，达到抑制细菌和杀死细菌目的。此外，古细菌的16S和5SRNA的核苷酸排列顺序，也与真细菌的存在明显不同。古细菌的翻译作用对氯霉素不敏感，但是白喉毒素能够抑制它，而后者对真细菌无效。研究中还发现，真核生物的翻译还能被白喉毒素抑制。

三、古细菌特征证明

卡尔文循环中的关键酶之一有1，5-二磷酸核酮糖叛化酶。如果利用同位素技术，可以证明，在嗜酸热硫氧化古细菌中，1，5-二磷酸核酮糖駿化酶根本不存在，这间接说明了卡尔文循环是不存在的。如果用氧化硫硫杆菌作为此次实验的对照菌株，可以用来比较二者在固定CO2方面的差异性。仔细对比表1中的实验数据，我们可以看出，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶仅仅是存在于氧化硫硫杆菌之中，而且高活牲被表现出来，但是我们在数据中观察到，嗜酸热硫球菌中，没能够发现任何数据。