1982年春，美國伍茲霍爾(WoodsHole)海洋研究所的科學(xué)考察潛艇“愛爾文號”駛向東太平洋海底深達(dá)2600米處的一個高壓熱溢口，尋找生命的痕跡。溢口處，灰白色液體奔涌而出，仿佛來自地球深處的炊煙；溢口附近漂浮著一些羽狀軟體動物和似由微生物形成的菌膜。“愛爾文號”用機(jī)械手采集了一些菌膜，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。不久，利（J.Leigh）博士等從這個來自似乎是生命禁區(qū)的樣品中分離出一種球狀微生物，它能夠生活在20000千帕（200大氣壓）、90℃以上的高溫高壓環(huán)境中，通過將CO2還原為甲烷而生存。利博士以這次科學(xué)考察活動負(fù)責(zé)人詹納斯（H.Jannasch）的名字，將其命名為詹氏甲烷球菌(Methanococcusjannaschii)，這是一類被稱為古菌的生物。
1996年，美國的基因組研究所(TheInstitute for GenomicResearch)完成了對其全部167萬對堿基的序列測定。人類由此獲得了古菌的第一張完整的遺傳藍(lán)圖。面對這張藍(lán)圖，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，古菌竟真的像伍斯（C.Woese）等分子進(jìn)化學(xué)家始終不渝地宣揚(yáng)了20多年的那樣，是一種嶄新的生命形式。
二分法和三域?qū)W說
地球上究竟有幾種生命形式？當(dāng)亞里士多德建立生物學(xué)時，他用二分法則將生物分為動物和植物。顯微鏡的誕生使人們發(fā)現(xiàn)了肉眼看不見的細(xì)菌。細(xì)菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上與動植物的最根本差別是，動植物細(xì)胞內(nèi)有細(xì)胞核，遺傳物質(zhì)DNA主要儲存于此，而細(xì)菌則沒有細(xì)胞核，DNA游離于細(xì)胞質(zhì)中。由于動物與植物的差別小于它們與細(xì)菌的差別，沙東（E.Chatton）于1937年提出了生物界新的二分法則，即生物分為含細(xì)胞核的真核生物和不含細(xì)胞核的原核生物。動植物屬于真核生物，而細(xì)菌屬于原核生物。
1859年達(dá)爾文發(fā)表《物種起源》以后，生物學(xué)家便開始建立基于進(jìn)化關(guān)系而非表型相似性的分類系統(tǒng)，即所謂系統(tǒng)發(fā)育分類系統(tǒng)?？墒?，由于缺乏化石記錄，這種分類方法長期未能有效運(yùn)用于原核生物的分類。1970年代，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，伍斯終于在這方面獲得了意義重大的突破。
在漫長的進(jìn)化過程中，每種生物細(xì)胞中的信息分子（核酸和蛋白質(zhì)）的序列均不斷發(fā)生著突變。許多信息分子序列變化的產(chǎn)生在時間上是隨機(jī)的，進(jìn)化速率相對恒定，即具有時鐘特性。因此，物種間的親緣關(guān)系可以用它們共有的某個具有時鐘特性的基因或其產(chǎn)物（如蛋白質(zhì)）在序列上的差別來定量描述。這些基因或其產(chǎn)物便成了記錄生物進(jìn)化歷程的分子記時器（chronometer）。顯然，這種記錄生物系統(tǒng)發(fā)育歷程的分子記時器應(yīng)該廣泛分布于所有生物之中?；谶@一考慮，伍斯選擇了一種名為小亞基核糖體核酸（SSUrRNA）的分子，作為分子記時器。這種分子是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成機(jī)器——核糖體的一個組成部分，而蛋白質(zhì)合成又是幾乎所有生物生命活動的一個重要方面。因此，把SSUrRNA分子作為分子記時器是合適的。
在比較了來自不同原核及真核生物的SSUrRNA序列的相似性后，伍斯發(fā)現(xiàn)原先被認(rèn)為是細(xì)菌的甲烷球菌代表著一種既不同于真核生物，也不同于細(xì)菌的生命形式?？紤]到甲烷球菌的生活環(huán)境可能與生命誕生時地球上的自然環(huán)境相似，伍斯將這類生物稱為古細(xì)菌。據(jù)此，伍斯于1977年提出，生物可分為三大類群，即真核生物、真細(xì)菌和古細(xì)菌?；赟SUrRNA分析結(jié)果的泛系統(tǒng)發(fā)育（進(jìn)化）樹隨后誕生了。
進(jìn)一步的研究表明，進(jìn)化樹上的第一次分叉產(chǎn)生了真細(xì)菌的一支和古細(xì)菌/真核生物的一支，古細(xì)菌和真核生物的分叉發(fā)生在后。換句話說，古細(xì)菌比真細(xì)菌更接近真核生物。
據(jù)此，1990年伍斯提出了三域分類學(xué)說：生物分為真核生物、真細(xì)菌和古細(xì)菌三域，域被定義為高于界的分類單位。為突出古細(xì)菌與真細(xì)菌的區(qū)別，伍斯將古細(xì)菌更名為古菌。真細(xì)菌改稱細(xì)菌。三域?qū)W說使古菌獲得了與真核生物和細(xì)菌等同的分類學(xué)地位。
自誕生之日起，伍斯的三域?qū)W說便遭到部分人，特別是微生物學(xué)領(lǐng)域外的人反對。反對者堅(jiān)持認(rèn)為：原核與真核的區(qū)分是生物界最根本的、具有進(jìn)化意義的分類法則；與具有豐富多樣性表型的真核生物相比，古菌與細(xì)菌的差異遠(yuǎn)沒有大到需要改變二分法則的程度。但在詹氏甲烷球菌基因組序列測定完成前的近20年中，采用多種分子記時器進(jìn)行的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究一再證明，古菌是一種獨(dú)特的生命形式。
何 為 古 菌
人們對古菌的興趣并非始于1970年代。古菌一些奇特的生活習(xí)性和與此相關(guān)的潛在生物技術(shù)開發(fā)前景，長期以來一直吸引著許多人的注意。古菌常被發(fā)現(xiàn)生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。事實(shí)上，在我們這個星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。例如，一種叫做熱網(wǎng)菌（Pyrodictium）的古菌能夠在高達(dá)113℃的溫度下生長。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最高生物生長溫度。近年來，利用分子生物學(xué)方法，人們發(fā)現(xiàn)，古菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。
目前，可在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的古菌主要包括三大類：產(chǎn)甲烷菌、極端嗜熱菌和極端嗜鹽菌。產(chǎn)甲烷菌生活于富含有機(jī)質(zhì)且嚴(yán)格無氧的環(huán)境中，如沼澤地、水稻田、反芻動物的反芻胃等，參與地球上的碳素循環(huán)，負(fù)責(zé)甲烷的生物合成；極端嗜鹽菌生活于鹽湖、鹽田及鹽腌制品表面，它能夠在鹽飽和環(huán)境中生長，而當(dāng)鹽濃度低于10％時則不能生長；極端嗜熱菌通常分布于含硫或硫化物的陸相或水相地質(zhì)熱點(diǎn)，如含硫的熱泉、泥潭、海底熱溢口等，絕大多數(shù)極端嗜熱菌嚴(yán)格厭氧，在獲得能量時完成硫的轉(zhuǎn)化。
盡管生活習(xí)性大相徑庭，古菌的各個類群卻有共同的、有別于其他生物的細(xì)胞學(xué)及生物化學(xué)特征。例如，古菌細(xì)胞膜含由分枝碳?xì)滏溑cD型磷酸甘油，以醚鍵相連接而成的脂類，而細(xì)菌及真核生物細(xì)胞膜則含由不分枝脂肪酸與L型磷酸甘油，以酯鍵相連接而成的脂類。細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分是肽聚糖，而古菌細(xì)胞壁不含肽聚糖。
有趣的是，雖然與細(xì)菌相似，古菌染色體DNA呈閉合環(huán)狀，基因也組織成操縱子（操縱子為原核生物基因表達(dá)和調(diào)控的基本結(jié)構(gòu)單位，生物活性相關(guān)的基因常以操縱子的結(jié)構(gòu)形式協(xié)調(diào)基因表達(dá)的開啟和關(guān)閉），但在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等方面，古菌卻具有明顯的真核特征：采用非甲?；琢虬滨RNA作為起始tRNA，啟動子、轉(zhuǎn)錄因子、DNA聚合酶、RNA聚合酶等均與真核生物的相似。
比較生物化學(xué)的研究結(jié)果表明，古菌與細(xì)菌有著本質(zhì)的區(qū)別，這種區(qū)別與兩者表現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)方面親緣關(guān)系的疏遠(yuǎn)是一致的。
三域?qū)W說的
第一個基因組學(xué)證據(jù)
盡管對古菌已有了上述認(rèn)識，當(dāng)人們第一次面對詹氏甲烷球菌的全基因組序列時，還是大吃了一驚。詹氏甲烷球菌共有1738個基因，其中人們從未見過的基因竟占了56％！相比之下，在這之前完成測序的流感嗜血菌（Haemophilusinfluenzae）和生殖道枝原體（Mycoplasmagenitalium）基因組中未知基因僅占20％左右。于是人們終于在基因組水平上認(rèn)識到，古菌是一種嶄新的生命形式。
更有趣的是，詹氏甲烷球菌基因組中占總數(shù)44％的那些功能或多或少已經(jīng)知道的基因似乎勾勒出了古菌與另兩類生物之間的進(jìn)化關(guān)系：古菌在產(chǎn)能、細(xì)胞分裂、代謝等方面與細(xì)菌相近，而在轉(zhuǎn)錄、翻譯和復(fù)制方面則與真核生物類似。換言之，一個生活在大洋底部熱溢口處的、習(xí)性古怪的微生物，在遺傳信息傳遞方面竟有著與人（而不是與人的消化道中細(xì)菌）相似的基因！在贊嘆生命奇妙的同時，許多人開始?xì)g呼三域?qū)W說的最終確立。美國《科學(xué)》周刊在把詹氏甲烷球菌基因組序列測定工作列為1996年度重大科學(xué)突破之一時宣稱，這一成果使圍繞三域?qū)W說的爭論差不多可以結(jié)束了。
對伍斯進(jìn)化樹的新挑戰(zhàn)
就在古菌的懸念似乎行將消失時，接踵而來的新發(fā)現(xiàn)卻使人們重新陷入困惑之中。各類完整的微生物基因組序列一個接一個出現(xiàn)在人們輕點(diǎn)鼠標(biāo)便可查閱的數(shù)據(jù)庫中，在已發(fā)表的18種生物基因組序列中，古菌的占了4個。采用更靈敏的方法對這些基因組（包括詹氏甲烷球菌基因組）進(jìn)行分析，得到了令人吃驚的結(jié)果：詹氏甲烷球菌基因組中只有30％（不是先前估計(jì)的半數(shù)以上）的基因編碼目前未知的功能，這與細(xì)菌基因組相近。古菌的神秘性和獨(dú)特性因此減少了許多。
對三域?qū)W說更為不利的是，在詹氏甲烷球菌的那些可以推測功能的基因產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）中，44％具有細(xì)菌蛋白特征，只有13％的像真核生物的蛋白質(zhì)。在另一個古菌，嗜熱堿甲烷桿菌（Methanobacteriumthermoaotutrophicum）的基因組中也有類似情況。因此，從基因組比較的數(shù)字上看，古菌與細(xì)菌間的差異遠(yuǎn)小于古菌與真核生物間的差異，不足以說服三域?qū)W說的反對者。
更令人難以理解的是，利用同一生物中不同基因?qū)υ撐锓N進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育學(xué)定位常常會得到不同的結(jié)果。最近，一種能在接近沸點(diǎn)溫度下生長的細(xì)菌（Aquifexaeolicus）的基因組序列測定完成。對該菌的幾個基因進(jìn)行的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究表明：如果用參與細(xì)胞分裂調(diào)控的蛋白質(zhì)FtsY作為分子記時器，該菌與伍斯進(jìn)化樹上位于細(xì)菌分枝的一個土壤細(xì)菌——枯草芽孢桿菌相近；如果以一種參與色氨酸合成的酶為準(zhǔn)，該菌應(yīng)屬于古菌；而當(dāng)比較該菌和其他生物的合成胞苷三磷酸（DNA的基本結(jié)構(gòu)單位之一）的酶時，竟發(fā)現(xiàn)古菌不再形成獨(dú)立的一群?？磥聿煌幕蛩坪踉谠V說不同的進(jìn)化故事。那么，古菌還能是獨(dú)特的、統(tǒng)一的生命形式嗎？
屬于真核生物的啤酒酵母基因組序列測定完成后，三域?qū)W說遇到了更大危機(jī)。酵母細(xì)胞核基因中，與細(xì)菌基因有親緣關(guān)系的比與古菌有親緣關(guān)系的多一倍。有人還對在三種生命形式中都存在的34個蛋白質(zhì)家族進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其中17個家族來源于細(xì)菌，只有8個顯示出古菌與真核生物的親緣關(guān)系。
如果伍斯進(jìn)化樹正確、古菌與真核生物在進(jìn)化歷程中的分歧晚于兩者與細(xì)菌的分歧的話，那么怎樣才能解釋上面這些結(jié)果呢？
根據(jù)細(xì)胞進(jìn)化研究中流行的內(nèi)共生假說，真核細(xì)胞細(xì)胞器（線粒體、葉綠體）的產(chǎn)生源于細(xì)菌與原真核生物在進(jìn)化早期建立的內(nèi)共生關(guān)系。在這種關(guān)系中，真核細(xì)胞提供穩(wěn)定的微環(huán)境，內(nèi)共生體（細(xì)菌）則提供能量，久而久之，內(nèi)共生體演變?yōu)榧?xì)胞器。真核生物細(xì)胞核中一部分源于細(xì)菌的基因可能來自線粒體，這些為數(shù)不多的基因通常編碼重新運(yùn)回線粒體的蛋白質(zhì)分子?？墒?，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)許多源于細(xì)菌的核基因編碼那些在細(xì)胞質(zhì)、而不是線粒體中起作用的蛋白質(zhì)。那么，這些基因從何而來呢？顯然，內(nèi)共生假說已不足以挽救伍斯進(jìn)化樹。
不過，伍斯進(jìn)化樹也不會輕易倒下，支撐它的假說依然很多。最近，有人提出了新版的“基因水平轉(zhuǎn)移”假說。根據(jù)這個假說，基因組的雜合組成是進(jìn)化過程中不同譜系間發(fā)生基因轉(zhuǎn)移造成的。一種生物可以采用包括吞食等方式獲得另一種、親緣關(guān)系也許很遠(yuǎn)的生物的基因。伍斯推測，始祖生物在演化形成細(xì)菌、古菌和真核生物三大譜系前，生活于可以相互交換基因的“公社”中，來自這個“史前公社”的生物可能獲得了不同的基因遺產(chǎn)。這一切使得進(jìn)化樹難以枝杈分明。不過，伍斯相信，基于SSUrRNA的進(jìn)化樹在總體上是正確的，三種生命形式是存在的。
爭 論 在 繼 續(xù)
三年前詹氏甲烷球菌基因組序列的發(fā)表，似乎預(yù)示著一場延續(xù)了20多年的、關(guān)于地球上到底有幾種生命形式的爭論的終結(jié)。古菌似乎被認(rèn)定為生命的第三種形式。如今，僅僅過了三年，即使最樂觀的人都無法預(yù)料伍斯進(jìn)化樹的命運(yùn)。這場仍在繼續(xù)的爭論中，盡管古菌的分類地位遭到質(zhì)疑，但古菌這一生命形式的獨(dú)特性依然得到不同程度的肯定。
目前，古菌研究正在世界范圍內(nèi)升溫，這不僅因?yàn)楣啪刑N(yùn)藏著遠(yuǎn)多于另兩類生物的、未知的生物學(xué)過程和功能，以及有助于闡明生物進(jìn)化規(guī)律的線索，而且因?yàn)楣啪兄豢晒懒康纳锛夹g(shù)開發(fā)前景。古菌已經(jīng)一次又一次讓人們吃驚，可以肯定，在未來的歲月中，這群獨(dú)特的生物將繼續(xù)向人們展示生命的無窮奧秘。
