探索生命第三种形式——古菌|生物_新浪科技

原标题：探索生命第三种形式——古菌

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古菌是目前生物地球化学研究热点之一，围绕“古菌”展开的关于生物起源的“二域学说”和“三域学说”的世纪争论是21世纪生物学的焦点问题之一。近日，深圳大学高等研究院李猛教授团队报道了新的阿斯加德古菌门类，并通过实验验证了它们的基因组中所存在的真核生物曾特有的ESCRT系统功能，为生物二域和三域的研究提供了新的成果支撑。

世纪争论迎来新的研究成果

炎炎烈日，海浪拍打声阵阵传来，茂密的红树林下人影摇晃，伴随着三三两两的谈话声。走近细看，三两个小伙子穿着防护衣，面色涨红，手里拿着接近1米长的空管往土壤里深插……

这是深圳大学高等研究院李猛课题组外出深圳红树林采样的一个场景。2011年，31岁的李猛在香港大学取得微生物生态学与环境毒理学博士学位，2014年，他加入深圳大学高等研究院，2016年成为深圳大学的特聘教授。目前李猛带领着一支近30人的团队对古菌领域进行研究。由于红树林湿地古菌多样性丰富，具有明显的分层分布的特点，红树林湿地成为李猛团队研究采样的重要基地。

李猛的课题组在深圳湾进行采样课题组潘老师供图

经过近7年的研究，李猛带领其团队先后在深圳福田红树林湿地中发现若干新颖的古菌门类，展现了丰富多彩的古菌世界。同时，他们运用基因组学探讨了古菌类群的生理生化代谢功能，首次报道了阿斯加德古菌的第六个门类——葛德古菌门（Gerdarchaeota），拓展了人们对古菌物种和代谢功能多样性的认识。

值得一提的是，李猛的团队通过对阿斯加德古菌和真核生物的对比研究，发现阿斯加德古菌中存有真核生物ESCRT系统的关联体。ESCRT系统长期以来被认为是真核细胞中特有的存在，但近年研究发现，古菌基因组中也携带真核生物ESCRT样的同源蛋白基因。4月17日，李猛团队在美国微生物学会旗下的《mBio》发表关于古菌ESCRT系统的研究成果，为“二域学说”和“三域学说”的研究提供了新的支撑。

显微镜下的阿斯加德古菌图源网络

“二域学说”VS“三域学说”，仍无定论

真核生物有细胞核，原核生物没有细胞核，真核生物与原核生物是对生物最初的划分。

1977年，美国科学家卡尔·沃斯（Carl Woese）和乔治·福克斯（George Fox）确定了地球第三种生物形式——古菌。卡尔·沃斯在1990年首次提出三域学说，把自然界分为三大领域，分别为细菌域、真核生物域以及古生菌域。

1984年，詹姆斯·雷克（James.Lake）及其同事通过核糖体形态的演化分析发现，相对于真细菌和其它古菌而言，真核生物与原核的泉古菌具有更近的亲缘关系。由此，他们提出了不同于“三域学说”的“泉古菌假说”，即真核生物起源于属于古菌领域的泉古菌，称为“二域学说”。李猛表示，“二域学说”指的是整个生命体系最初只有细菌和古菌，真核生物是从古菌里演化出来。

事实上，古菌是一个“四不像”，它与细菌有很多相似之处，又与真核生物有许多特征相似。李猛表示，古菌的细胞形态、细胞结构与细菌相似，但在基因组复制、转录与翻译等遗传信息传递体系上更靠近真核生物。此外，与细菌和真核生物都不同，古菌的细胞膜结构是相对独立的。“基于这些证据，美国科学家卡尔·沃斯认为这属于第三种生命形式。”李猛说道。

二域学说和三域学说各自构建的生命进化树图

课题组潘老师供图

2018年3月，李猛的团队受微生物领域核心杂志《Applied Microbiology and Biotechnology》邀请，发表《Two or three domains: a new view of tree of life in the genomics era.》综述性文章，概述生物二域与三域的争论始末。2020年3月16日，李猛的团队在《Science China Life Science》发表学术论文，首次报道了阿斯加德古菌的第六个新门——葛德古菌门（Gerdarchaeota）；2020年4月17日，李猛的团队在《mBio》发表关于古菌ESCRT系统的研究成果，揭示了阿斯加德古菌ESCRT核心蛋白Vps4与真核生物中同源蛋白在功能进化中的关联性，提示真核生物ESCRT可能来源于阿斯加德古菌。

然而，李猛说道：“我们现在还缺乏足够的证据，关于真核生物来源于阿斯加德古菌的推论尚未确定，地球生命起源的二域论和三域论之争还将长期延续下去。”

古菌，生命的极限

“古菌”这一概念早在1977年就被提出，随着阿斯加德古菌的发现，近两年关于“真核生物是不是起源于古菌”的争论，使古菌成为研究者们热议的话题。根据李猛的统计，现在国内从事古菌研究的科研机构有20余个，包括至少4个国家重点实验室和多个国家自然科学基金委创新团体。

谈到古菌研究的价值，李猛说道：“一方面是追寻生命的起源，另一方面是国家重大需求所在。”抛开二域论与三域论的争论，古菌对于人类是一个什么样的存在？不止外行人员，李猛其他研究领域的同行也提出了疑问。“说白一点，大家就是问你做这个东西有什么用。”李猛说道。

事实上，古菌代表着生命的极限，确定了生物圈的范围。例如热网菌属能在高达121摄氏度的温度下存活并生长，这是至今为止所发现的最耐热的生物。目前发现的最耐热、最耐高盐、最耐酸或碱及极端厌氧的生物均是古菌。

根据古菌的生活习性和生理特性进行划分，古菌可分为三大类型：产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌，它们的应用前景各有不同。

古菌的分类和应用张晓璇制图

古菌中的产甲烷菌，能将无机或有机化合物转化成甲烷。由于全球气温升高，南北极冰川融化，原本冻土层里的产甲烷菌活性升高，产甲烷的“积极性”随之提高。甲烷既是加剧全球变暖的“凶手”，也是一种可再生的能源。如何趋利避害，对产甲烷菌的深入了解和研究就显得尤为重要。

在盐浓度高达38%的盐湖中也栖息着一类古菌——极端嗜盐古菌。它们分泌的胞外酶具有耐高碱高盐的特性，在制革工业、高盐有机废水处理和泡菜加工等腌制食品方面发挥重要作用。同时极端嗜盐古菌合成的聚酯PHA可以完全降解，被认为是一种“绿色塑料”。它可以替代不可降解的传统塑料，在生物医学工程领域有很大的应用价值。

“我们研究的这个东西才刚开始，希望在国内能够带动更多的人来关注这个领域。所以才这么积极地推一些重大项目。”李猛说道。

团队壮大，亦难解科研困难

10月30日，蔡铭伟完成了他的出站答辩，结束了他在李猛课题组三年的研究与学习，成为李猛课题组离站博士后的一员。

2014年，深圳大学高等研究院开始筹建。同年7月，李猛作为深圳大学高等研究院第一批专职教员加入深大高等研究院。刚来深大时，整个团队还只有李猛自己一人，“前半年基本上都是在写文章和项目申请”，他说道。直到2015年实验室开始组建，才陆续有博士后加入李猛的团队。如今，在李猛眼里，团队里的博士后们已经是“挑大梁”的存在。

团队在慢慢壮大，但一些研究的困难并不是人数增多就能克服的。富集培养一直是古菌研究中的一个难题，即利用不同微生物间不同的生命活动特点，提供一些特定的环境条件，使研究需要的古菌旺盛生长，形成数量上的优势，更利于古菌的分离。蔡铭伟介绍到，曾有一位日本科学家，用了12年时间在富集培养分离古菌。博士后进站到离站的时间只有2-3年，全部时间用来做富集培养并不现实，蔡铭伟只能边做数据分析，边做富集培养。

对于刘力睿来说，除了研究本身的困难，实验的被迫耽搁也让她觉得“很难”。受疫情影响，博士后5月6日才得以返校。团队中有些人前期已有一些样品和数据，在实验室未开放期间，他们可以做一些数据分析或写文章。但对于去年年底刚刚入站的刘力睿来说，疫情极大阻碍研究进展，她说道：“采样、实验都被耽搁了，现在时间挺赶的。”

科研的困难是不可避免的，“但最后看到结果的时候是很有成就感的。”刘力睿说道。对于蔡铭伟来说，把环境里多种不同种类的微生物分离，得到颜色五彩缤纷和形态各异的微生物，是一件很有意思的事。他也热衷于画图，如古菌代谢图和全球古菌分布分类图等，当找到一些有意思的数据时，他就会把它们画成图表。