探尋生命的起源
2021年05月11日04:10

原標題:探尋生命的起源

阿斯加德古菌和真核生物的系統發育關係示意圖。

  2021年4月28日,深圳大學高等研究院李猛教授課題組在《自然》上發表了題為“阿斯加德古菌的多樣性及其與真核生物的關係”的研究長文。該論文為認識真核生物起源這一未解的生命科學之謎提供了新見解。

  說起古菌,可能很多人都沒聽過。但若是說起恐龍滅絕的原因?可能很多人都能說出當今流行的很多猜想。其中有一個“重口味”的猜想就是——恐龍是因放屁太多被自己熏死的!這個猜想的科學依據就跟古菌有關。科學家提出,因為恐龍體內存在大量的古菌,古菌能產生甲烷,恐龍通過放屁使得空氣中甲烷的濃度越來越高,溫室效應大增,導致地球生態的巨變,恐龍也遭到了滅頂之災。

  究竟什麼是古菌?李猛教授團隊的研究成果對古菌的研究帶來了什麼進展?對此,廣州日報全媒體記者進行了採訪。

  古菌被認為地球最早的生命

  對於深海,黑暗環境、巨大壓力和奇怪生物,總讓人充滿了想像力。而深海的未知環境,激發了科學家極大的好奇心。自上世紀九十年代起,科學家在一次次遠航中,獲得了珍貴的海底沉積物。他們的新發現就是體積微小而數量眾多的微生物——古菌(Archaea)。在生物技術取得長足發展的今天,這種可能是地球上最古老生命體的秘密開始被一一解開。

  古菌的英文名“Archaea”來源於希臘語,是“ancient”古老的意思。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,因此古菌被認為可能是地球上最早出現的生命,即“古老的生命”。

  有這樣一種比喻,如果將地球約46億年的年齡比作1小時,那麼人類的誕生大約在59分59.9秒,而生長於熱泉、海底或鹽湖中的古菌則出生於9分18秒。研究古菌對研究生命起源有重要意義,有揭示生命進化過程的理論意義。

  今天,隨著地球環境被細菌和真核細胞生物大幅改造,古菌已經被後輩們侵占了大片領地。但在某些類似早期地球的隱秘角落里,我們仍然可以一睹這些“舊日支配者”們的尊榮。還有一些大隱於市的古菌,悄然融入了紛繁複雜的現代生物圈。在牛、羊等反芻動物以及白蟻的消化道內,潛藏著產甲烷古菌維持腸道的正常工作。因此,古菌離我們倒也不那麼遙遠,每一碗羊雜湯裡,都有它們的身影。

  同時,古菌廣泛存在於人類的鼻子、肺、腸道和皮膚中。寄居在人體內的古菌主要是產甲烷古菌。人體內古菌可是一支不可小覷的隊伍。

  為真核生命起源提供新見解

  阿斯加德(Asgard)古菌,又名仙宮古菌,是最近確立的第四個古菌超門。基於基因組數據的系統發育分析,有學者提出真核生物可能起源於阿斯加德古菌。(真核生物指由真核細胞構成的生物。包括原生生物界、真菌界、植物界和動物界。)記者從深圳大學瞭解到,該校高等研究院李猛教授課題組題為“阿斯加德古菌的多樣性及其與真核生物的關係”的研究長文,4月28日發表在《自然》雜誌上。該項研究從我國的濱海濕地、近海沉積物、西太平洋深淵等樣品中發現六個阿斯加德古菌新門,並建立首個阿斯加德古菌功能基因庫(AsCOG),研究還深入分析阿斯加德古菌的基因組和代謝潛能。

  最重要的是,該研究重構了由原核生物(細菌、古菌)和真核生物組成的生命之樹,從系統發育進化關係、真核特徵蛋白功能演化及生理代謝的互作等方面詳細闡釋了阿斯加德古菌與真核生物的關係,為認識真核生物起源這一未解的生命科學之謎提供了新見解。

  該項研究由深圳大學、美國國立衛生研究院、自然資源部第三海洋研究所和農業部沼氣科學研究所等單位合作完成。深圳大學高等研究院李猛教授和美國國立衛生研究院Eugene Koonin教授為論文共同通訊作者,劉楊副研究員(深圳大學)、Kira Makarova博士(美國國立衛生研究院)和黃文聰碩士研究生(深圳大學)為共同第一作者。

  紅樹林里發現古菌命名為“悟空”

  最初的五個阿斯加德古菌門類均以北歐神話中的神命名。李猛教授課題組於2020年初在我國紅樹林濕地沉積物中率先發現了第六個阿斯加德古菌門,將其命名為葛德古菌(女巨人)。

  在此基礎上,李猛教授課題組與Eugene Koonin教授課題組等開展深入合作,對現有基因組和不同環境樣品的宏□因組進行整合分析,獲得了162個高質量的阿斯加德古菌基因組,其中75個屬於尚未報導的新基因組,從中發現了6個尚未被報導的阿斯加德古菌新門,其中5個門類分別以北歐神話的神命名為赫爾莫德古菌、巴德爾古菌、霍德爾古菌、包爾古菌和卡瑞古菌,還有一個更為古老的阿斯加德古菌新分支則以中國古典名著《西遊記》中大鬧天宮的齊天大聖“孫悟空”的名字命名為悟空古菌,以彰顯我國文化自信。

  分析表明,悟空古菌具備氫氧化的化能自養代謝潛能,顯著區別於其他阿斯加德古菌混合營養或異養的代謝模式,這也是將其命名為中國神話人物的原因。

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