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古生菌 古生菌和真细菌的区别

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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

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　　随着科学家对神秘古生菌了解的越来越多，他们正在寻找有关构成人类、植物等复杂生命细胞的进化线索。

　　2019年8月，美国威斯康辛大学进化生物学家大卫·鲍姆曾翻阅了一本预印本，能够与人类的远亲“面对面接触”，或者确切地说是“面对细胞”，这个远亲是古生菌，它是一种生活在极端环境的超微生物，通常生活在深海喷口和酸湖泊，古生菌外形类似于细菌，在bioRxiv发布的一份预印本描述了古生菌长着像触须状的突起，从而使古生菌看上去像附了几缕意大利面的肉丸。

科学家花费12年时间培育出一种生长缓慢、长有触须的古生菌，它被认为与复杂细胞的祖先存在相似之处

　　鲍姆曾花很多时间想象人类的远古祖先会是什么样，事实上古生菌就是人类完美的“分身”，尽管两者的外形相差悬殊。

　　古生菌不仅是在极端环境中茁壮成长的怪异生命形式，事实证明，它们分布非常广泛，此外，更重要的是，它们可能是理解地球上复杂生命如何进化形成的关键环节。许多科学家猜测，古生菌可能导致真核生物种群的崛起，变形虫、菌菇、植物和人类就是由真核生物演变而来的，同时，部分科学家认为，真核生物和古生菌也有可能是由一些更遥远的共同祖先物种进化产生。

　　真核细胞是具有复杂内部特征的宫殿结构，其内部包括容纳遗传物质的细胞核，以及产生能量和构建蛋白质的独立隔膜，一种关于它们进化演变的主流理论认为，它们起源于古生菌，在进化历程中可能与另一种微生物结合。

　　但是研究人员在探索该观点时遇到了困难，部分原因是古生菌很难在实验室中生长和研究，古生菌受到的关注如此之少，以至于它们的基本生活方式，例如：它们是如何生长和分裂的，在很大程度上仍是一个未解谜团。

　　古生菌研究仅是被赋予生命的“宠物理论”？

在美国怀俄明州黄石国家公园大棱镜温泉中，一些古生菌能在滚烫的温泉水中成长

　　目前，研究人员可能比以往任何时候更接近一个貌似有理的进化答案，由于人们对这些经常被忽视的微生物的兴趣不断增大，以及在实验室不断发明处理古生菌的方法，细胞生物学家正在比以前更详细地观察它们。澳大利亚悉尼科技大学分子微生物学家伊恩·达金说：“在过去十年里，关于这种神秘微生物种群的发布的研究报告几乎增长一倍，而且对古生菌的生物学初步研究成果是非常令人兴奋的。”

　　目前，鲍姆发布在《自然》杂志的图像提出了一个新观点，即鲍姆辛苦培育12年的古生菌，可能与真核生物的出现密切相关。来自世界各地的微生物学家都为这些图像感到兴奋，但对鲍姆而言，这仅是一个被赋予生命的“宠物理论”。

　　5年前，鲍姆和他的堂弟、英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室细胞生物学家巴斯·鲍姆发表了一项关于真核生物起源的假说理论，他们预测称，真核生物的祖先可能长有突起物，这很像古生菌的外形。他们推断这些突起物环绕在附近的细菌周围，之后它们转变成为真核细胞的一个显著特征：菱形的能量制造器，即线粒体。

　　当大卫·鲍姆盯着这些像意大利面条一样古生菌时，回想5年前与堂弟提出的真核生物起源假说理论，突然恍然大悟，认为之前的假说理论似乎是有道理的。

　　基本的奥秘

科学家研究嗜酸热硫化叶菌（图左）、富盐菌（图中）、甲烷八叠球菌（图右）这样的古生菌如何生长和分裂的

　　如果真核生物真的是一种增强版的古生菌，那么科学家必须了解古生菌，才能弄清楚更复杂的细胞是如何形成的。虽然研究真核生物和古生菌的科学家已花费几十年时间深入观察研究细胞分裂和生长等过程，但古生菌的内部工作原理在很大程度上仍是个未解谜团。德国弗莱堡大学分子微生物学家索尼娅·阿尔伯斯说：“古生菌的每次活动方式都不一样，例如：相关的蛋白质可能在不同的生物体中起到不同的作用，这使得古生菌变得很有意思。”

　　从土壤到海洋，所有存活的生物细胞都有一个共同点，那就是它们通过分裂来制造更多的自身，该现象发生在地球上所有以细胞为基础的生命共同祖先上，但随着生物适应了它们的生态龛位，这个过程开始变得有所不同。

　　研究人员可以通过观察这种差异来探索生物进化过程，所有细胞生命形式所共有的任何机制都指向最早期细胞的生物遗传，相比之下，只有古生菌和真核生物，或者只有细菌和真核生物共有的系统，暗示着真核生物各种成分是由哪个母体提供的。例如：将真核细胞从外界环境中分离出来的柔膜就非常类似细菌结构。

　　达金研究的是一种叫做富盐菌（Haloferax volcanii）的细胞分裂过程，该细菌喜欢咸水环境，例如：海，而不是火山。事实上，富盐菌的命名是以微生物学家本杰明·埃拉扎里·波尔卡尼（Benjamin Elazari Volcani）的名字命名的。作为一种嗜极生物，富盐菌在咸水环境中很容易生长，在显微镜下很容易看到处于分裂状态的扁平细胞组织。

　　尽管体形较大的富盐菌与细菌、真核生物和古生菌存在着巨大差异，但它们确实有一些相同的细胞分裂系统，在细菌体中，有一种名为FtsZ的蛋白质，在未来细胞分裂部位形成一个环状结构。同样，达金和同事在富盐菌中也观察到同样的情况，因此，他们认为FtsZ蛋白质似乎处于细胞进化树底部。

　　目前，科学家通过研究古生菌，也揭示了其他古老蛋白质的神秘面纱，其中包括一种叫做SepF的蛋白质，德国弗莱堡大学分子微生物学家索尼娅的研究小组发现，SepF是富盐菌分裂所必需的蛋白质，巴黎巴斯德研究所的进化生物学家尼卡·彭德称，SepF和FtsZ蛋白质，可能都是细胞分裂的原始“最小系统”一部分，通过分析这两种蛋白质编码基因在多种微生物中的分布情况，可将所有活细胞追溯至最早的共同祖先。

　　然而，在生物进化的某个阶段，一些古生菌将细胞分裂的工作分配给一组不同的蛋白质，这就是巴斯·鲍姆最新研究的切入点。他带领研究团队一直在研究一种叫做嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）的古生菌，它与名字非常相符，它非常喜欢酸和热，实验室研究人员戴着园艺手套，从而保护自己免受嗜热硫化叶菌生活的酸液体带来的伤害，实验室成员戴着园艺手套，从而保护自己免遭酸液体的伤害，他们在实验室建造了一个特殊的隔间，便于在没有冷点或者蒸发情况下，使用显微镜下观察它的分裂过程。

　　鲍姆的研究小组观察到一组完全不同的蛋白质操控分裂环，他们首次在真核生物中发现这些蛋白质，它们不仅参与分裂，还有更广泛的作用，能将细胞的细胞膜分离，形成被细胞膜包裹的囊泡，以及其他较小的细胞区域。这些蛋白质被称为“核内体运输排序复体蛋白质（ESCRTs）”，研究小组在嗜酸热硫化叶菌中发现与管理分裂环的通用型钳子的相关原始蛋白质，这表明早期ESCRTs蛋白质在真核生物的古生菌祖先中完成进化。

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