作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2016/6/27 10:59:15
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“深部生物圈”古菌揭示生命起源

 


上海交通大学微生物团队(第二排左五为王风平)

深潜归来(右一为王风平)
 

近年来,科学家在海底及海底沉积物中发现了多种古菌,并根据其形态及生物化学特征对古菌开展了定性分类研究。

■本报记者 甘晓

生活在阳光下,我们看惯了飞禽走兽、树木花草,不会对“万物生长靠太阳”产生怀疑。最近几十年,随着海洋科技不断发展,科学家们发现在海洋底部一些黑暗的极端环境下,也有微生物活动的迹象。

最近,上海交通大学微生物海洋学实验室教授王风平领导的研究团队在《自然—微生物学》(Nature Microbiology)上发表文章,解析了深部生物圈一类重要新古菌门——“深古菌”中部分类群的特殊代谢机制和生物地球化学功能,为科学家查明早期生命起源打开了窗口。该项研究得到了国家自然科学基金(批准号41525011、41506163、91228201、31290232等)的支持。

“深部生物圈”的生命密码

过去几十年里,随着美国深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)的实施,科学家们发现,海洋底部及沉积物中有微生物活动的迹象。

1977年,美国阿尔文(Alvin)号深潜器首次在太平洋的加拉帕戈斯(Galapagos)洋中脊发现了深海热液喷口和热液生态系统。“从早期偶然性的海底勘测,到逐渐通过大洋钻探项目来系统组织开展的系统性探测,人类已经认识到地球上存在两个大规模的生物圈。”王风平告诉《中国科学报》记者,“一个是我们所熟知的由光合作用维持的地表生物圈,一个便是存在于地球深部由化能作用支持的黑暗深部生物圈。”

由于探测手段的发展,科学家对“深部生物圈”的认识才刚刚开始。深海古菌是深部生物圈最重要的发现之一。多年来,研究者已经发现,深海古菌产生甲烷、害怕氧气,并能在高盐、高温的极端条件下生长。研究者们认为,古菌有可能是地球上最古老的生命。

“围绕深海古菌的研究,将丰富我们对生命极限和起源的认识和理解。”王风平表示。

首次命名“深古菌”

近年来,科学家在海底及海底沉积物中发现了多种古菌,并根据其形态及生物化学特征对古菌开展了定性分类研究。而高通量测序和宏基因组技术的不断发展,则让科学家获得了更多的定量研究成果。

由日本科学家发现的一种尚未命名古菌吸引了王风平的注意。“从1999年发现到2013年,都没有一篇关于它的论文。”她说。这类古菌生长异常缓慢,难以在实验室实现培养。并且细胞体积偏小不宜检测(直径约0.4~0.6微米的球状颗粒),因此其研究进展非常缓慢,科学家对它几乎一无所知。

王风平在日常研究工作中,从许多来自不同地点的样品中发现了这种古菌的存在。“不光在海洋深部,就是我们生活的环境中,也发现了它。”王风平说。

2013年,王风平小组发现,这类古菌在系统发育上处于一个新分支,显著不同于目前分类已确定的所有古菌门类。“它代表了一类自然界比较古老的古菌,因此,我们提议将MCG古菌归类于一个全新的门类,命名为‘深古菌门(Bathyarchaeota)’。”王风平表示。

“深古菌”成为目前首个由中国学者提议的古菌门分类。

首次发现自养乙酸合成

据推算,“深古菌”在自然界的含量约为2~3.9×1028个细胞,是地球上含量最丰富的微生物之一。由于其广泛分布,研究人员推测,它可能具有丰富的代谢形式。

随后,研究团队与深圳大学教授李猛和美国伍兹霍尔海洋研究所教授Stefan Sievert合作,成功解析了深古菌部分类群的独特代谢形式。发现其同时具有降解难降解有机化合物例如芳香烃化合物、几丁质、纤维素等的代谢途径和利用无机碳自养合成乙酸的途径,提出深古菌是海洋沉积物中碳循环和生态系统的核心驱动者。

“我们先从深古菌的基因中找到了能够自养乙酸合成的基因片段,并克隆了‘乙酸激酶’的基因,验证了这一功能。”王风平告诉《中国科学报》记者,“乙酸可以作为能源支持生物生长,例如古菌可以利用乙酸合成甲烷,很多细菌可以利用乙酸异养生长。”

这是科学家首次发现并证实古菌具有自养产乙酸的代谢方式。

科学基金:为交叉学科指引方向

王风平坦陈,从事基础研究的历程与国家自然科学基金密不可分。

2002年,王风平回国后来到国家海洋局第三海洋研究所工作。由于对基础研究感兴趣,王风平只花了两年时间便获得了国家自然科学基金面上项目的支持。“当时,我的研究方向在几丁质的降解。”她说。

随后,王风平将大量精力放在深部生物圈的科学问题上。2009年,她还曾登上阿尔文号,在以“深海热液口的黑暗生命研究”为主题的航次中,她在瓜伊马斯海盆下潜到2012米深,成为当时下潜最深的中国女科学家。

2013年,王风平参与了国家自然科学基金重大研究计划“南海深部计划”,主要承担有机质转化和碳循环相关的研究课题。在她看来,如今在深古菌上的收获,与该计划中的研究分不开。

两年后,王风平以生物学家的背景,获得了国家杰出青年科学基金的支持。“我是生物学家的背景,得到的是国家自然科学基金委员会地学部的支持。”在她看来,正是科学基金对交叉学科基础研究的支持,引导了科学家在深部生物圈上不断取得突破。

《中国科学报》 (2016-06-27 第6版 基金)
 
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