奇特生命——古细菌

地球上的生物种类繁多，大多数生物都对环境有一定要求，超出一定范围就不能存活，但有一些微生物却能在超出一般生物生存的边缘条件——极端环境中生存、繁殖，这类生物被称为极端环境生物。极端环境生物不仅生活环境奇特，而且其分子组成、物理化学性能、酶特性及代谢功能等与其他生物均不同。这类生物中的产甲烷、嗜盐和嗜酸嗜热细菌，于1977年被科学家冠以一个奇特的名称——古细菌。

一般生物生活在一个大气压中，所能承受的最高温度为50℃左右。但是1982年在太平洋底深达2600多米的火山口附近找到的一种微生物，生存温度达90℃，承受压力达260个大气压。这种微生物，不受阳光直接和间接的影响，而且不以一般生物赖以生存的有机碳化合物为食物，靠火山排出的二氧化碳、氮和氧生存，却能奇怪地排出甲烷。我们知道，甲烷这种气体在高温、高压下遇氧会发生爆炸，因此为研究这种细菌，需要将其“养”在一个厚厚的钢筒内，并且抽出其排出的甲烷。这种奇特的生物是一种被称为产甲烷的古细菌。这类细菌除生活在洋底火山口附近外，还存在于土壤中，并生活在无氧环境中，而且往往与一种产氢的细菌生活在一起。有趣的是氢就在这两种细菌间转移，相得益彰。

生存在55℃以上的细菌被称为嗜热菌，在80℃能生存的细菌被称为极端嗜热菌，有的嗜热菌最高生存温度可达120℃。研究发现，这类嗜热菌脂质、蛋白质和核糖核酸链均很特殊。

与嗜热菌相反，有的细菌能在低温中生存，我国学者曾收集南极长城站地区及海底沉积物中的喜低温菌并进行研究。

1920年，科学家发现了一种能在饱和盐水中生存的微生物，其一旦离开食盐就会死亡。这种细菌被称为嗜盐菌。90年代，我国学者在西北的盐湖中也发现了这种细菌，并对其进行了研究。最为奇特的是，嗜盐菌除有特殊的极性脂外，还有一种特殊的膜蛋白——紫膜蛋白。这是一种简单而又独特、精巧的光能转换器，这种蛋白质不同于植物中进行光合作用的叶绿素，却与哺乳动物眼睛中的视紫红质类似。

除上述对环境温度、压力、盐浓度表现特殊适应性的微生物外，还有一些具有特殊性质的极端环境生物，如有的能在贫营养环境、强放射性条件下生存、繁殖，有的体内含有自身合成的磁性微粒，能感知地磁，具有沿地球磁力线运动的能力。

70年代末，美国微生物学家卡尔·沃伊斯和乔治·福克斯等用独创的生物化学方法分析了200多种微生物，发现包括产甲烷、嗜盐和嗜酸嗜热细菌的极端环境生物具有独特的生物化学组成。他提出将这类生物与其他细菌——真细菌及其他生物——真核生物并列为生物的三大类。自那以后20年来，古细菌的研究取得了很大进展，成为微生物学的一个分支学科。这些古细菌为什么能在其他生物难以忍受的环境中生存和繁殖？其生理和遗传基础是什么？它们与其他细菌及更高级生物有无亲缘关系？在其他星球上会不会存在类似古细菌的奇特生命形式？这些问题引起许多研究者的浓厚兴趣。

沃伊斯最初提出古细菌概念时就认为：过去将生物分两大类——原核生物和包括植物、动物和人在内的真核生物的观点不对，应该是三大类——真细菌、真核生物和古细菌。

20年来，沃伊斯等人不断用新的生物化学方法论证这一点。而另一方面，更多的生物学家则认为，古细菌仍然属于原核生物，没有必要将其单划出来。两种观点成为生物进化研究中的焦点。前者最早的依据是16S（或18S）核糖体核糖核酸（rRNA）的寡核苷酸谱，后来又测定了一些蛋白质，最近又测定了前述在太平洋底火山口找到的产甲烷古细菌的脱氧核糖核酸（DNA）的1700系列，由此来证明古细菌不同于真细菌和真核生物，并提出这种古细菌可能是最原始的、并存在于其他星球上的生命形式。后者则从生物学更广阔的视野看待三者关系：①从细胞结构看，古细菌与真细菌都是单细胞、无细胞核生物；②从染色体结构考虑，古细菌与真细菌都是环状的，与真核生物双螺旋不同；③古细菌与真细菌以类似的交换机制传递基因信息；④从生物的手性分子考虑，真细菌和古细菌都是利用“非天然手性分子”，而真核生物则利用“天然手性分子”。结论是古细菌与真细菌较之真核生物更相似，没有必要将古细菌单划出来，即传统的生物分类仍然有效，并认为古细菌的确与真细菌有差别，在研究生物进化时应该考虑这种差别。

由古细菌引起的生物学的争论还反映在真核生物或复杂细胞起源的问题。有的古细菌学者提出真核生物是由真细菌与古细菌通过“嫁接”或“融合”形成，但有的学者认为古细菌与真核生物、真细菌之间没有直接的进化联系。

奇特的古细菌不仅在理论上引起激烈的争论，而且由于它具有能够在极端环境中生存、繁殖的能力，因此具有很高的实际应用价值。

我们知道，任何生物都能产生一种叫做酶的化学物质，这是生物赖以生存的一种基础物质，它有严格的分子组成，具有特别的催化能力。酶的应用十分广泛，如面包、点心的制作要用到酶，医学诊断和疾病的治疗要用到酶，许多药品都是酶制剂，人体更离不开酶。由于酶必须在一定条件下才能发挥作用，失去这些条件，酶会变性失去活性。

科学家们从古细菌能在极端环境中生存获得灵感，提出了极限酶的概念。他们设想：既然嗜热菌能在120℃的条件下存活，是否可提取这种生物的酶，经过处理得到一种聚合酶，使其能在高温下存活？经过几年的努力，这一设想终于实现了。这项成果被认为是给生物化学带来了革命性的变革，而其实际销售额达数十亿美元，具有可观的经济效益。

科学家们正在继续深入研究极限酶的特性，使其不仅耐高温，也可在它苛刻的环境中存活，当然古细菌在这项研究中将继续扮演重要角色！