“深部生物圈”古菌揭示生命起源

　　 生活在陽光下，我們看慣了飛禽走獸、樹木花草，不會對“萬物生長靠太陽”產生懷疑。最近幾十年，隨著海洋科技不斷發展，科學家們發現在海洋底部一些黑暗的極端環境下，也有微生物活動的跡象。

　　最近，上海交通大學微生物海洋學實驗室教授王風平領導的研究團隊在《自然—微生物學》（Nature Microbiology）上發表文章，解析了深部生物圈一類重要新古菌門——“深古菌”中部分類群的特殊代謝機制和生物地球化學功能，為科學家查明早期生命起源打開了窗口。該項研究得到了國家自然科學基金（批準號41525011、41506163、91228201、31290232等）的支持。

　　“深部生物圈”的生命密碼

　　過去幾十年里，隨著美國深海鉆探計劃（DSDP）和大洋鉆探計劃（ODP）的實施，科學家們發現，海洋底部及沉積物中有微生物活動的跡象。

　　1977年，美國阿爾文（Alvin）號深潛器首次在太平洋的加拉帕戈斯（Galapagos）洋中脊發現了深海熱液噴口和熱液生態系統。“從早期偶然性的海底勘測，到逐漸通過大洋鉆探項目來系統組織開展的系統性探測，人類已經認識到地球上存在兩個大規模的生物圈。”王風平告訴《中國科學報》記者，“一個是我們所熟知的由光合作用維持的地表生物圈，一個便是存在于地球深部由化能作用支持的黑暗深部生物圈。”

　　由于探測手段的發展，科學家對“深部生物圈”的認識才剛剛開始。深海古菌是深部生物圈最重要的發現之一。多年來，研究者已經發現，深海古菌產生甲烷、害怕氧氣，并能在高鹽、高溫的極端條件下生長。研究者們認為，古菌有可能是地球上最古老的生命。

　　“圍繞深海古菌的研究，將豐富我們對生命極限和起源的認識和理解。”王風平表示。

　　首次命名“深古菌”

　　近年來，科學家在海底及海底沉積物中發現了多種古菌，并根據其形態及生物化學特征對古菌開展了定性分類研究。而高通量測序和宏基因組技術的不斷發展，則讓科學家獲得了更多的定量研究成果。

　　由日本科學家發現的一種尚未命名古菌吸引了王風平的注意。“從1999年發現到2013年，都沒有一篇關于它的論文。”她說。這類古菌生長異常緩慢，難以在實驗室實現培養。并且細胞體積偏小不宜檢測（直徑約0.4~0.6微米的球狀顆粒），因此其研究進展非常緩慢，科學家對它幾乎一無所知。

　　王風平在日常研究工作中，從許多來自不同地點的樣品中發現了這種古菌的存在。“不光在海洋深部，就是我們生活的環境中，也發現了它。”王風平說。

　　2013年，王風平小組發現，這類古菌在系統發育上處于一個新分支，顯著不同于目前分類已確定的所有古菌門類。“它代表了一類自然界比較古老的古菌，因此，我們提議將MCG古菌歸類于一個全新的門類，命名為‘深古菌門（Bathyarchaeota）’。”王風平表示。

　　“深古菌”成為目前首個由中國學者提議的古菌門分類。

　　首次發現自養乙酸合成

　　據推算，“深古菌”在自然界的含量約為2~3.9×1028個細胞，是地球上含量最豐富的微生物之一。由于其廣泛分布，研究人員推測，它可能具有豐富的代謝形式。

　　隨后，研究團隊與深圳大學教授李猛和美國伍茲霍爾海洋研究所教授Stefan Sievert合作，成功解析了深古菌部分類群的獨特代謝形式。發現其同時具有降解難降解有機化合物例如芳香烴化合物、幾丁質、纖維素等的代謝途徑和利用無機碳自養合成乙酸的途徑，提出深古菌是海洋沉積物中碳循環和生態系統的核心驅動者。

　　“我們先從深古菌的基因中找到了能夠自養乙酸合成的基因片段，并克隆了‘乙酸激酶’的基因，驗證了這一功能。”王風平告訴《中國科學報》記者，“乙酸可以作為能源支持生物生長，例如古菌可以利用乙酸合成甲烷，很多細菌可以利用乙酸異養生長。”

　　這是科學家首次發現并證實古菌具有自養產乙酸的代謝方式。

　　科學基金：為交叉學科指引方向

　　王風平坦陳，從事基礎研究的歷程與國家自然科學基金密不可分。

　　2002年，王風平回國后來到國家海洋局第三海洋研究所工作。由于對基礎研究感興趣，王風平只花了兩年時間便獲得了國家自然科學基金面上項目的支持。“當時，我的研究方向在幾丁質的降解。”她說。

　　隨后，王風平將大量精力放在深部生物圈的科學問題上。2009年，她還曾登上阿爾文號，在以“深海熱液口的黑暗生命研究”為主題的航次中，她在瓜伊馬斯海盆下潛到2012米深，成為當時下潛最深的中國女科學家。

　　2013年，王風平參與了國家自然科學基金重大研究計劃“南海深部計劃”，主要承擔有機質轉化和碳循環相關的研究課題。在她看來，如今在深古菌上的收獲，與該計劃中的研究分不開。

　　兩年后，王風平以生物學家的背景，獲得了國家杰出青年科學基金的支持。“我是生物學家的背景，得到的是國家自然科學基金委員會地學部的支持。”在她看來，正是科學基金對交叉學科基礎研究的支持，引導了科學家在深部生物圈上不斷取得突破。