“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。