生命起源的活化石_古细菌.pdf

飞!#$年第%期碟探索&()(*+,-./生命起源的活化石：古细菌!瘐晋周洁古细菌是一类生活在今天的生物，被称为活化石细菌。它们并不是细菌，因为它们有着与细菌不同的遗传基因。它们是独立的一类生物。生物界被划分为真核生物、细菌和古细菌三大类。古细菌之所以被称为古细菌，只是因为它们是地球上最早出现的生物，并且在形态上跟细菌差不了多少，所以人们把它们叫做古细菌。古细菌的生命沉浮古细菌出现于$0 亿年以前的生命诞生之初。那时的地球，大气中充满了有毒气体 1比如硫化氢2，完全没有氧气 1即使有那么一点，也会与其他物质反应而被消耗2，大气的化学性质是呈还原性的。在这样奇特的环境影响下，古细菌形成了严格厌氧的特性。它们在三十多亿年前的地球上繁荣地生长着。但是，世界万物都在发展，微生物也在进化。在$3 亿年以前，地球上出现了最早的光合生物氰细菌，它们通过光合作用获得能量并且放出对当时除了它们以外的所有生物十分危险的氧气。幸运的是，当时的地球上有大量的单质金属，它们及时地吸收氧气生成了金属氧化物 1如红色的氧化铁：&4/$2，从而保护了古细菌以及一些厌氧的细菌免受致命的氧气的毒害。在氰细菌出现后不久，一种光合能力更强的细菌 蓝藻菌出现了。它们有一套完整而高效的光合系统，采用了更好的叶绿素，能够制造出更多的氧气。因为有氧参加的生物反应可以释放出更多的能量，因而蓝藻菌在地球上大量繁殖起来，逐渐成为了当时地球上的优势生物。它们放出的氧气与海洋里的单质铁反应，生成的红色氧化铁把大海都染红了。#亿年前，伟大的时刻到来了。地球上几乎所有的单质金属都被氧化成了金属氧化物，再也没有什么可以保护古细菌和其他厌氧生物了。大气中第一次有了游离的单质氧 氧气，原来昏黄的天空渐渐变成了氧气的淡蓝色。臭氧层在形成，地表紫外线强度在降低 地球上的环境在好转。而古细菌和其他厌氧生物的日子就不好过了。古细菌对氧气可是“退避三舍”，哪怕只那么一丁点氧分子就让它们一命呜呼。它们的大多数同伴在#亿年前地球上首次出现氧气时灭绝了，史称“氧的大屠杀”，惟有那么一点点幸存者在其他生物都不敢涉足、几乎没有溶解氧气的少数温泉中繁衍生息。好氧生物不能忍受的地方是高温和强酸性的原始环境，而这恰恰成了古细菌最后的天堂。古细菌的演进在现代生物中，由于细菌类都是最简单的无核单细胞生物，因此人们一般都认为它们是低级、原始的生物。对不同种类现代细菌的分子进化研究发现，在一类能够利用二氧化碳和氢气产生甲烷的厌氧细菌以及生长在极浓的盐水中的盐细菌、可以在自然的煤层里生长的嗜热细菌、在硫!#$年第%期黄温泉中或是海底火山区生长的嗜硫细菌等类群中，核糖体&()*&(+的分子序列与一般细菌的*&(分子序列十分不同,其相差程度比般细菌*&(分子序列、真核生物)细胞中含有细胞核的生物+的*&(分子序列的差异还要大。据此,科学家认为这些“不一般”的细菌应该代表一个既不同于一般细菌也不同于真核生物的生物类群，因此把它们称为古细菌)或古核生物+,而把一般的细菌称为真细菌)或原核生物+。由于现代的古细菌的生活环境相对来说比较接近原始地球的环境，因此可以认为它们是地球上最原始的生物的比较直接的后代，换言之，地球上最初的原核细胞生物可能是古核生物而不是原核生物。进一步研究发现，古细菌的其他一系列分子生物学特性都与真核生物有不少相似之处；而真细菌却在很多其他的分子生物学和细胞生物学性状上与古细菌相差甚远，它们拥有不少进化或是特化的性状。因此，真核生物的祖先应该是远古的古核生物而不是原始的原核生物。由于迄今所知最古老的真核生物化石已有近-亿年的历史，许多科学家推测,最早的真核生物可能早在$#亿年前就出现了。真核细胞的直接祖先很可能是一种巨大的具有吞噬能力的古核生物，它们靠吞噬糖类并将其分解来获得其生命活动所需的能量。当时的生态系统中存在着另一种需氧的真细菌，它们能够更好地利用糖类将其分解得更加彻底以产生更多的能量。在生命演化过程中，这种古核生物将这种原核生物作为食物吞噬进体内，但是却没有将其消化分解掉，而是与之建立起了一种互惠的共生关系：古核细胞为细胞内的真细菌提供保护和较好的生存环境，并供给真细菌未完全分解的糖类，而真细菌由于可以轻易地得到这些营养物质，从而产生更多的能量，并可以供给宿主再利用。因此，这种细胞内共生关系对双方都有益处,因此双方在进化中就建立起了一种逐步固定的关系。在古核细胞内共生的真细菌由于所处的环境与其独立生存时不同，因此很多原来的结构和功能变得不再必要而逐渐退化消失殆尽；结果，细胞内共生的真细菌越来越特化，最终演化为古核细胞内专门进行能量代谢的细胞器官 线粒体。同时，一方面原来的古核细胞的能量代谢越来越依赖于共生的真细菌的存在，另一方面为了避免自身的一些细胞内结构尤其是遗传物质被侵入的真细菌“吃掉“，它们也产生了一系列应激性的变化。首先是细胞膜大量内陷形成了原始的内质网膜系统，限制了线粒体前身真细菌的活动；尔后，原始的内质网膜系统中的一部分进一步转化，将细胞的遗传物质包在一起形成了细胞核,这一部分内质网就转化成了核膜。从此，一种更加进步的生命形式诞生了，这就是真核细胞，也就是最初的真核原生生物。幸存的古细菌古细菌有一种特殊的本领，能氧化硫化氢、硫黄和其他硫化物为硫酸，并利用这类氧化作用释放的能量来同化二氧化碳。同时，在它们体内累积硫黄粒，使它们带上不同的颜色。多年来，科学家们在研究古细菌中捷报频传。!海底黑烟囱北京大学地球与空间科学学院透露，中、美、加联合研究组在飞!#$年第%期碟探索&()(*+,-./对中国五台山 太行山交界区进行中、美、加专家联合地质调查时，发现了 0 亿年前的海底黑烟囱。现代海底黑烟囱的研究始于1!23 年，当时美国的“阿尔文”号载人潜艇在东太平洋洋中脊的轴部采得由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1!2!年又在同一地点约 41#米 5 140#米的海底熔岩上，发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，约$0#6的含矿热液从直径约 10 厘米的烟囱中喷出，与周围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”。沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱状圆丘，称为“黑烟囱”。大量的海底调查研究发现，在海底黑烟囱周围广泛存在着古细菌，这些古细菌极端嗜热，可以生存于$0#6的高温热水及#米 5$#米的深水环境中，为古老生命的孑遗。黑烟囱喷出的矿液温度可高达$0#6，并含有78%、78 等有机分子，为非生物有机合成。如此环境可以满足各类化学反应，有利于原始生命的生存。科学研究表明，只有地球早期的环境才与此类似。科学家们为此提出了原始生命起源于海底黑烟囱周围的理论9 认为地球早期水热环境和嗜热微生物可能非常普遍，地球早期的生命可能就是嗜热微生物。世界各地在对不同时代古大洋地质记录:蛇绿岩;进行广泛的调查时，先后在日本、德国、美国、加拿大等地找到了古海底黑烟囱的残片及相关块状硫化物。但是9 大多数硫化物的时代很少大于 4 亿年，老于 0亿年的古海底黑烟囱记录还不多见，尽管在加拿大和澳大利亚发现了 2 亿 5 4 亿年前的金属硫化物矿产，但尚无海底黑烟囱残片的报道。为此寻找古老的黑烟囱残片具有重要的科学价值。!泉生热孢菌1!3 年初，中国科研人员在云南腾冲地区考察时在沸泉中发现了一种泉生热孢菌，最适合在20 以上，从而获取了微生物基因组的“完成图”。科学家已发现了 3#3 个基因，其中 1%31 个是功能已知的基因，另外 1$2 个基因的功能还不清楚。研究表明，大约$#个基因只能在嗜热的真细菌或古细菌中找到，这在科研和产业化上具有重要价值。这种嗜热菌和另外一种细菌 需氧 芽 孢 杆 菌 的 同 源 性 最 高 为0!=3，进一步表明了这种细菌的“特殊性”。!嗜盐性古细菌美国科学家发现已存活了=0 亿年的活细菌。这些细菌是在美国新墨西哥州卡尔斯巴附近地下岩洞的一个古老盐结晶体内被发现的。这种史前菌落被起了一个很乏味的名字：“?科学家们相信，“?!?$”菌是通过一种较常见的方法使自己的生命长久得以保存 它长有一层厚厚的保护壳，并进入假死状态。在过去的=0 亿年中，这种细菌寄居在结晶盐中间的一滴液体内，虽然活着，却保持休眠状态。研究人员在无污染的环境下，抽取藏有细菌的盐结晶体内的液体9 并在试管内将这些细菌培养成活，使细菌开始繁殖。这些细菌被认为是存活于恐龙时代前几百万年。科学家推测，在岩石风化过程中，细菌是被夹在结晶体中的一点液体中而生存下来的，它所寄居的结晶体为其提供绝佳的稳定环境。这些超高龄细菌激发了科学家去大胆思考生命起源、生物存活的时间以及生物的星际旅行等问题。弗里兰教授说：“如果结晶体内的生物体被吹落到一个星球上，合理的想法是该生物体可能会存活更久，甚至可以在太阳系间旅行。”古老细菌的苏醒带来长生不死的遐想，=0 亿年的岁月对于年不过百的人类来说，几乎相当于永恒。有科学家甚至猜想，对于古细菌的研究是否可以揭示长生不死的秘密。!骑火球的超级小矮人#年 0 月，德国雷根斯堡大学的卡尔斯德特尔教授带领的研究小组在英国的专业杂志 自然 上宣布说，他们在冰岛北部大西洋火山区域的 1#米海水深处发现了一种微小细菌，它含有迄今在有生命的细胞中所发现的最小基因组。这一微生物属于古细菌的一种。古细菌生长于活火山区、沸腾间歇热喷泉、热硫温泉、浓缩盐溶液或者腐蚀性酸性环境中。这一菌种被发观者命名为“骑火球的超级小矮人”。它只有1 0#毫米大小，只有人体中的大肠杆菌的 1 14#，相当于天花病毒的大小。它拥有 0#万个基因，比迄今为止发现的最小细菌生殖道支原体还少 3 万个。研究者之所以把它命名为“骑火球的超级小矮人”，是因为这一球状的小生命不是独立生长着，而是“骑”在一种叫“火球”的微生物表面。斯德特尔教授说，细菌这种生长方式的原因尚不清楚，可能“火球”为“小矮人”提供了某种有用的物质。美国的两家基因科学公司正在试图破译该菌种的遗传信息，这一工作对了解构成生命的最小基因构成有重要意义。科学家们认为9 古细菌最多需要%#个基因。把具有遗传资源的基因一个!#$年第%期一个地组合起来制成一个生物，这是一些生命科学研究者提出的前沿课题。他们希望，通过完整地破译一种微生物的基因组&遗传资源 来推断从简单分子到复杂分子的化学进化过程，从而揭开地球生命起源之谜，甚至获得在实验室里制作人造生物体的方法。当然，“人工合成生命”在伦理学上是否为人所接受(还是一个有争议的问题。!爱达荷州的古细菌群落#年初美国科学家在爱达荷州一个温泉里发现了一个新型微生物群落，其中绝大部分是古细菌。科学家们认为，它们的生活环境可能与地球上生命起源的时候相似，太阳系其他行星上也可能具备这样的环境。科学家在英国 自然 杂志上报告，这些微细菌生活在水下#米深处，它们完全不依赖阳光(而是通过把岩石里的氢与二氧化碳结合起来维持生命，并产出甲烷作为副产品。在这个温泉中()*以上的生物都是古细菌，与古细菌只占#*+$*的 一 般 情 况 大 不 相同。一些专家认为，这一发现表示在有地下水和充足化学物质的环境里，可能普遍存在依赖氢生活的微生物群落，而太阳系和宇宙其他地方的类似环境里如火星或木卫二上可能也是如此。但是，它们可能生活在地表以下几千米处，超出了目前人类的探测能力。成冠伦图!孙文德#!,年，火星考察队出发一次振奋人心的星际远行将于!#年后启程：#!,年前后一支火星考察队将飞向火星，往返历时约%天。#年-月，参加国际火星登陆计划的俄罗斯多家科研机构，在莫斯科向外界介绍了其拟定的火星登陆方案。根据火星登陆计划中俄方负责人谢苗诺夫介绍，参加上述计划的主要机构为俄罗斯航天局、美国航空航天局、欧洲航天局以及日本和加拿大的航天主管机构。俄罗斯科研人员在其拟定的方案中建议，各国同行共同挑选航天指挥员、副驾驶员、随航工程师、医生各一名，航天科学家两名，组成火星考察队。这些考察队员最好为%,岁+,岁之间的男性，他们的训练计划应在#!%年前结束。与此同时，航天机构将把一艘大型载人飞船和一艘货运飞船发射至国际空间站附近。#!,年前后火星考察队乘载人飞船飞向火星，而载有物资的货运飞船将沿着另一条较短的路线飞抵火星。“踩”好火星登陆点俄罗斯科学家已为登陆火星选择了三个登陆点，其中一个登陆点位于一条宽.千米、深#千米的峡谷底部。根据专家们的判断，这三个登陆点均蕴藏着固态水 冰。按计划，当载人飞船抵达火星后，科学家将利用$天+.天的时间