「深部生物圈」古菌揭示生命起源—新聞—科學網

2020-12-22 科學網

 

上海交通大學微生物團隊（第二排左五為王風平）

深潛歸來（右一為王風平）
 

近年來，科學家在海底及海底沉積物中發現了多種古菌，並根據其形態及生物化學特徵對古菌開展了定性分類研究。

■本報記者 甘曉

生活在陽光下，我們看慣了飛禽走獸、樹木花草，不會對「萬物生長靠太陽」產生懷疑。最近幾十年，隨著海洋科技不斷發展，科學家們發現在海洋底部一些黑暗的極端環境下，也有微生物活動的跡象。

最近，上海交通大學微生物海洋學實驗室教授王風平領導的研究團隊在《自然—微生物學》（Nature Microbiology）上發表文章，解析了深部生物圈一類重要新古菌門——「深古菌」中部分類群的特殊代謝機制和生物地球化學功能，為科學家查明早期生命起源打開了窗口。該項研究得到了國家自然科學基金（批准號41525011、41506163、91228201、31290232等）的支持。

「深部生物圈」的生命密碼

過去幾十年裡，隨著美國深海鑽探計劃（DSDP）和大洋鑽探計劃（ODP）的實施，科學家們發現，海洋底部及沉積物中有微生物活動的跡象。

1977年，美國阿爾文（Alvin）號深潛器首次在太平洋的加拉帕戈斯（Galapagos）洋中脊發現了深海熱液噴口和熱液生態系統。「從早期偶然性的海底勘測，到逐漸通過大洋鑽探項目來系統組織開展的系統性探測，人類已經認識到地球上存在兩個大規模的生物圈。」王風平告訴《中國科學報》記者，「一個是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，一個便是存在於地球深部由化能作用支持的黑暗深部生物圈。」

由於探測手段的發展，科學家對「深部生物圈」的認識才剛剛開始。深海古菌是深部生物圈最重要的發現之一。多年來，研究者已經發現，深海古菌產生甲烷、害怕氧氣，並能在高鹽、高溫的極端條件下生長。研究者們認為，古菌有可能是地球上最古老的生命。

「圍繞深海古菌的研究，將豐富我們對生命極限和起源的認識和理解。」王風平表示。

首次命名「深古菌」

近年來，科學家在海底及海底沉積物中發現了多種古菌，並根據其形態及生物化學特徵對古菌開展了定性分類研究。而高通量測序和宏基因組技術的不斷發展，則讓科學家獲得了更多的定量研究成果。

由日本科學家發現的一種尚未命名古菌吸引了王風平的注意。「從1999年發現到2013年，都沒有一篇關於它的論文。」她說。這類古菌生長異常緩慢，難以在實驗室實現培養。並且細胞體積偏小不宜檢測（直徑約0.4~0.6微米的球狀顆粒），因此其研究進展非常緩慢，科學家對它幾乎一無所知。

王風平在日常研究工作中，從許多來自不同地點的樣品中發現了這種古菌的存在。「不光在海洋深部，就是我們生活的環境中，也發現了它。」王風平說。

2013年，王風平小組發現，這類古菌在系統發育上處於一個新分支，顯著不同於目前分類已確定的所有古菌門類。「它代表了一類自然界比較古老的古菌，因此，我們提議將MCG古菌歸類於一個全新的門類，命名為『深古菌門（Bathyarchaeota）』。」王風平表示。

「深古菌」成為目前首個由中國學者提議的古菌門分類。

首次發現自養乙酸合成

據推算，「深古菌」在自然界的含量約為2~3.9×1028個細胞，是地球上含量最豐富的微生物之一。由於其廣泛分布，研究人員推測，它可能具有豐富的代謝形式。

隨後，研究團隊與深圳大學教授李猛和美國伍茲霍爾海洋研究所教授Stefan Sievert合作，成功解析了深古菌部分類群的獨特代謝形式。發現其同時具有降解難降解有機化合物例如芳香烴化合物、幾丁質、纖維素等的代謝途徑和利用無機碳自養合成乙酸的途徑，提出深古菌是海洋沉積物中碳循環和生態系統的核心驅動者。

「我們先從深古菌的基因中找到了能夠自養乙酸合成的基因片段，並克隆了『乙酸激酶』的基因，驗證了這一功能。」王風平告訴《中國科學報》記者，「乙酸可以作為能源支持生物生長，例如古菌可以利用乙酸合成甲烷，很多細菌可以利用乙酸異養生長。」

這是科學家首次發現並證實古菌具有自養產乙酸的代謝方式。

科學基金：為交叉學科指引方向

王風平坦陳，從事基礎研究的歷程與國家自然科學基金密不可分。

2002年，王風平回國後來到國家海洋局第三海洋研究所工作。由於對基礎研究感興趣，王風平只花了兩年時間便獲得了國家自然科學基金面上項目的支持。「當時，我的研究方向在幾丁質的降解。」她說。

隨後，王風平將大量精力放在深部生物圈的科學問題上。2009年，她還曾登上阿爾文號，在以「深海熱液口的黑暗生命研究」為主題的航次中，她在瓜伊馬斯海盆下潛到2012米深，成為當時下潛最深的中國女科學家。

2013年，王風平參與了國家自然科學基金重大研究計劃「南海深部計劃」，主要承擔有機質轉化和碳循環相關的研究課題。在她看來，如今在深古菌上的收穫，與該計劃中的研究分不開。

兩年後，王風平以生物學家的背景，獲得了國家傑出青年科學基金的支持。「我是生物學家的背景，得到的是國家自然科學基金委員會地學部的支持。」在她看來，正是科學基金對交叉學科基礎研究的支持，引導了科學家在深部生物圈上不斷取得突破。

《中國科學報》 (2016-06-27 第6版 基金)

相關焦點

  • 神秘古菌,揭示生物起源
    來源：經濟日報本周，最新一期的《自然》雜誌，發表了一篇日本科研團隊的論文，日本橫須賀海洋研究開發機構（JAMSTEC）的井町寬之和日本筑波產業技術綜合研究所（AIST）的延優等研究人員，利用深海沉積物培養了一種阿斯加德（Asgard）古菌，對其進行了表徵，試圖揭示真核生物的起源。
  • 科學家培育出「阿斯加德」古菌 有助解釋生命起源
    原標題：科學家培育出「阿斯加德」古菌 有助解釋地球生命起源參考消息網1月19日報導 西媒稱，經過近15年的研究努力，日本科學家首次成功從深海分離並培育出「阿斯加德」古菌。這種神秘的生物可以解釋地球上包括人類在內所有複雜生命形式的起源。
  • 古菌:生物可能起源於此,又或是第三種生物體!
    古菌又稱古細菌、太古菌。古菌到底是什麼樣子的呢？古菌是單細胞微生物，生活在極端環境下，可以說古菌是生命生存的極限。在大自然中，也就只有超高溫的火山口、海底熱液口、沼澤和鹽湖等等常規生物不能存在的地方，才可以找到它們。三域系統1977年，古菌的概念才被美國科學家卡爾·烏斯所提出。
  • 探索生命第三種形式——古菌
    原創 新新報Newtimes 新新報NewTimes學生立場 時代潮流古菌是目前生物地球化學研究熱點之一，圍繞「古菌」展開的關於生物起源的「二域學說」和「三域學說」的世紀爭論是21世紀生物學的焦點問題之一。
  • 汪品先院士:重新認識生物圈︱大家
    如果你升到太空回頭看地球，可以把生物圈看作地球系統的一個圈層；如果你穿越地質歷史看今天，在地球演變中看生物圈的發展，那就會發現一個你很不熟悉的生物圈。自從生命起源，地球上的水循環和碳循環都離不開生物的作用，所謂碳循環，在很大程度上就是碳的生物地球化學過程。從另一方面看，30幾億年來的生命演化史，也就是地球表層各個系統相互作用、共同演化的經歷。
  • 日本培養出神秘單細胞微生物 或將揭示複雜真核生物起源
    這種不同尋常的微生物，將幫助人類揭示複雜的真核生物的起源。古菌構成了一個單細胞原核生物域，新近發現的阿斯加德古菌，據信為更加複雜的真核生物的祖先。但是迄今為止，我們對阿斯加德古菌生物學的理解一直局限於DNA研究，其顯示存在真核細胞樣基因。
  • 古菌的發現,既不是真核也不是原核生物,是生命的第三種形態
    自此改變了亞里斯多德的生命二分類法，人們把生命之樹還是分為兩枝，一枝是含細胞核的「真核生物」，另一枝是不含細胞核的「原核生物」。動植物都屬於真核生物，而細菌屬於原核生物，但是事情到此並沒有完結。20世紀六七十年代，人們又發現了另一種生命形式——古菌。
  • 古菌:無所不在 活出極限
    第三種生命形式 儼然是個「四不像」與細菌和真核生物相比，大多數人可能對古菌比較陌生，古菌（Archaea）是與細菌和真核生物並列的第三種生命形式，又稱古細菌、太古菌或太古生物，是原核生物中的一大類。之所以稱其為「古」菌，與其在地球上的出現時間有關。
  • 科學家擬建古菌資源庫
    古菌學家張教授和同事們在尋找古菌這種最古老的生命體。文/圖 廣州日報 全媒體記者鮑文娟、王納古菌被認為地球最早的生命恐龍為何滅絕？一直以來科學界有數十種猜想。因為古菌常被發現生活在極端的環境中，被認為是極端微生物；但不是所有的古菌都存在於極端環境，也不是所有的極端微生物都屬於古菌。由於陸地熱泉和大洋中脊的環境和地球早期環境十分相似，因此人們最初認為古菌可能代表地球上最早出現的生命，即「古老的生命」。
  • 16億年藻類化石揭示真核生物起源—新聞—科學網
  • 氮沉降背景下森林土壤生物群落的維持機制獲揭示—新聞—科學網
    中國科學院華南植物園研究員劉佔鋒恢復生態學團隊揭示了氮沉降背景下森林土壤生物群落的維持機制。相關研究近日發表於《土壤生物學與生物化學》。
  • 研究揭示核酶RNaseMRP催化機制—新聞—科學網
    上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院精準醫學研究院雷鳴團隊研究揭示了真核生物中一類保守且必需的核酶RNaseMRP催化前體rRNA加工成熟的分子機制。
  • 五個異源四倍體棉花起源被釐清—新聞—科學網
    棉花的進化過程      南京農大供圖 棉花到底從何處起源以及如何進化？棉花基因組藏著哪些奧秘？未來的棉花育種改良還需要哪些創新？4月20日，《自然—遺傳學》在線發表南京農業大學、德克薩斯大學、哈森阿爾法生物技術研究所、德州農工大學等單位合作成果。他們繪製了所有五個異源四倍體棉花種的高精度參考基因組圖譜，為探究多倍體植物基因組演化規律提供了重要參考依據。 據了解，主要的栽培棉花為異源四倍體，其形成經歷了複雜的雜交、多倍體化和馴化過程。
  • 氫氣與生命起源
    生命的起源與演化是和宇宙的起源與演化密切相關的。生命的構成元素如碳、氫、氧、氮、磷、硫等是來自「大爆炸」後元素的演化。資料表明前生物階段的化學演化並不局限於地球，在宇宙空間中廣泛地存在著化學演化的產物。在星際演化中，某些生物單分子，如胺基酸、嘌呤、嘧啶等可能形成於星際塵埃或凝聚的星雲中，接著在行星表面的一定條件下產生了像多肽、多聚核苷酸等生物高分子。
  • 氰化物隕石帶給地球生命種子?NASA的探測器將進一步研究
    有些流星可能富含氰化物，古細菌和細菌體內的酶中也發現了這種氰化物。關於生命起源的一個永恆的謎是，生命是如何從非生物化學過程中產生的？一項最新研究指出，氰化物或許在其中起了重要作用。說到氰化物時，大多數人腦海中浮現的是間諜電影的場景：一個人將藥丸吞下，口吐白沫奄奄一息。
  • 進擊的古基因組研究—新聞—科學網
    （以下簡稱古脊椎所）領銜的關於華夏族群探源的突破性研究成果，它揭開了有關中國南北方史前人群格局及遷移與混合這一重大學術問題上的若干謎團；兩個月後，該團隊又發布最新發現：通過古基因組研究發現距今約1.1萬年的中國南方未知現代人群，相關研究揭示出中國南方與東南亞人群舊石器時期的遺傳聯繫。
  • 生命的祖先是超級嗜熱菌嗎?
    現有活著的所有生物都可追溯到一個最近的共同祖先（英文簡稱 LUCA）——地球上早期出現的一個單細胞生物。這個「最近的共同祖先」是什麼意思呢？
  • 老樹新枝 卓爾不凡—新聞—科學網
    中國科學院生物演化與環境卓越創新中心召開座談會
  • 古細菌,一種最古老的生物體,細胞起源於原核生物?
    目前我們所認知的生命起源，是通過線粒體和葉綠體所合成的細胞器。目前，細菌存在於各處，但是卻沒有存在於單細胞微生物中。據專家介紹，單細胞微生物與真核生物一樣，沒有細菌，細胞中只包含了細胞核和細胞膜。目前，我國研究所所認知的古細菌，與細菌有很大的相似之處，簡單來說，他們都缺乏細胞中的細胞核和細胞膜，因此在此種情況下，細菌可以到任何地方。目前，我們擁有了一種生命起源的假說，那就是細胞起源於原核生物。所謂原核生物起源於真核生物細胞，研究人員表示，最原始的細菌分為兩種，即細菌和古細菌。
  • 北大西洋深海古菌:從原核到真核的橋梁
    如今，科學家們在《Nature》刊文，宣布在北大西洋海底發現了一種新的古生菌Lokiarchaeota，被認為是在原核生物中與真核生物親緣最近的生物。這個複雜的古菌類群，連結起了原核生物和真核生物，也證明了真核生物正是從原核生物發展而來，而新發現的這種古菌就是橋梁。