1982年春，美國伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所的科學考察潛艇“愛爾文號”駛向東太平洋海底深達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”用機械手采集了一些菌膜，帶回實驗室進行研究。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20 000千帕（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。利博士以這次科學考察活動負責人詹納斯（H. Jannasch）的名字，將其命名為詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)，這是一類被稱為古菌的生物。

   　　1996年，美國的基因組研究所(The Institute for Genomic Research)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圖。面對這張藍圖，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，古菌竟真的像伍斯（C. Woese）等分子進化學家始終不渝地宣揚了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？當亞里士多德建立生物學時，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)了肉眼看不見的細菌。細菌在細胞結(jié)構(gòu)上與動植物的最根本差別是，動植物細胞內(nèi)有細胞核，遺傳物質(zhì)DNA主要儲存于此，而細菌則沒有細胞核，DNA游離于細胞質(zhì)中。由于動物與植物的差別小于它們與細菌的差別，沙東（E. Chatton）于1937年提出了生物界新的二分法則，即生物分為含細胞核的真核生物和不含細胞核的原核生物。動植物屬于真核生物，而細菌屬于原核生物。

   　　1859年達爾文發(fā)表《物種起源》以后，生物學家便開始建立基于進化關(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用于原核生物的分類。1970年代，隨著分子生物學的發(fā)展，伍斯終于在這方面獲得了意義重大的突破。

   　　在漫長的進化過程中，每種生物細胞中的信息分子（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)生在時間上是隨機的，進化速率相對恒定，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（SSU rRNA）的分子，作為分子記時器。這種分子是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成機器——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SSU rRNA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SSU rRNA序列的相似性后，伍斯發(fā)現(xiàn)原先被認為是細菌的甲烷球菌代表著一種既不同于真核生物，也不同于細菌的生命形式?？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、真細菌和古細菌?；赟SU rRNA分析結(jié)果的泛系統(tǒng)發(fā)育（進化）樹隨后誕生了。

   　　進一步的研究表明，進化樹上的第一次分叉產(chǎn)生了真細菌的一支和古細菌/真核生物的一支，古細菌和真核生物的分叉發(fā)生在后。換句話說，古細菌比真細菌更接近真核生物。

   　　據(jù)此，1990年伍斯提出了三域分類學說：生物分為真核生物、真細菌和古細菌三域，域被定義為高于界的分類單位。為突出古細菌與真細菌的區(qū)別，伍斯將古細菌更名為古菌。真細菌改稱細菌。三域?qū)W說使古菌獲得了與真核生物和細菌等同的分類學地位。

   　　自誕生之日起，伍斯的三域?qū)W說便遭到部分人，特別是微生物學領(lǐng)域外的人反對。反對者堅持認為：原核與真核的區(qū)分是生物界最根本的、具有進化意義的分類法則；與具有豐富多樣性表型的真核生物相比，古菌與細菌的差異遠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行的系統(tǒng)發(fā)育學研究一再證明，古菌是一種獨特的生命形式。

   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，可在實驗室培養(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質(zhì)且嚴格無氧的環(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)，負責甲烷的生物合成；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，如含硫的熱泉、泥潭、海底熱溢口等，絕大多數(shù)極端嗜熱菌嚴格厭氧，在獲得能量時完成硫的轉(zhuǎn)化。

   　　盡管生活習性大相徑庭，古菌的各個類群卻有共同的、有別于其他生物的細胞學及生物化學特征。例如，古菌細胞膜含由分枝碳氫鏈與D型磷酸甘油，以醚鍵相連接而成的脂類，而細菌及真核生物細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。細菌細胞壁的主要成分是肽聚糖，而古菌細胞壁不含肽聚糖。

   　　有趣的是，雖然與細菌相似，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)基因表達的開啟和關(guān)閉），但在DNA復制、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。

   　　比較生物化學的研究結(jié)果表明，古菌與細菌有著本質(zhì)的區(qū)別，這種區(qū)別與兩者表現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)育學方面親緣關(guān)系的疏遠是一致的。

   三域?qū)W說的

   第一個基因組學證據(jù)

   　　盡管對古菌已有了上述認識，當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（Haemophilus influenzae）和生殖道枝原體（Mycoplasma genitalium）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化關(guān)系：古菌在產(chǎn)能、細胞分裂、代謝等方面與細菌相近，而在轉(zhuǎn)錄、翻譯和復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菌）相似的基因！在贊嘆生命奇妙的同時，許多人開始歡呼三域?qū)W說的最終確立。美國《科學》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)在人們輕點鼠標便可查閱的數(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％（不是先前估計的半數(shù)以上）的基因編碼目前未知的功能，這與細菌基因組相近。古菌的神秘性和獨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（Methanobacterium thermoaotutrophicum）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，古菌與細菌間的差異遠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進行系統(tǒng)發(fā)育學定位常常會得到不同的結(jié)果。最近，一種能在接近沸點溫度下生長的細菌（Aquifex aeolicus）的基因組序列測定完成。對該菌的幾個基因進行的系統(tǒng)發(fā)育學研究表明：如果用參與細胞分裂調(diào)控的蛋白質(zhì)FtsY作為分子記時器，該菌與伍斯進化樹上位于細菌分枝的一個土壤細菌——枯草芽孢桿菌相近；如果以一種參與色氨酸合成的酶為準，該菌應(yīng)屬于古菌；而當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)古菌不再形成獨立的一群?？磥聿煌幕蛩坪踉谠V說不同的進化故事。那么，古菌還能是獨特的、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。酵母細胞核基因中，與細菌基因有親緣關(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)家族進行了分析，發(fā)現(xiàn)其中17個家族來源于細菌，只有8個顯示出古菌與真核生物的親緣關(guān)系。

   　　如果伍斯進化樹正確、古菌與真核生物在進化歷程中的分歧晚于兩者與細菌的分歧的話，那么怎樣才能解釋上面這些結(jié)果呢？

   　　根據(jù)細胞進化研究中流行的內(nèi)共生假說，真核細胞細胞器（線粒體、葉綠體）的產(chǎn)生源于細菌與原真核生物在進化早期建立的內(nèi)共生關(guān)系。在這種關(guān)系中，真核細胞提供穩(wěn)定的微環(huán)境，內(nèi)共生體（細菌）則提供能量，久而久之，內(nèi)共生體演變?yōu)榧毎?。真核生物細胞核中一部分源于細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回線粒體的蛋白質(zhì)分子。可是，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)許多源于細菌的核基因編碼那些在細胞質(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化樹。

   　　不過，伍斯進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)系也許很遠的生物的基因。伍斯推測，始祖生物在演化形成細菌、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)。這一切使得進化樹難以枝杈分明。不過，伍斯相信，基于SSU rRNA的進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料伍斯進化樹的命運。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，這不僅因為古菌中蘊藏著遠多于另兩類生物的、未知的生物學過程和功能，以及有助于闡明生物進化規(guī)律的線索，而且因為古菌有著不可估量的生物技術(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，這群獨特的生物將繼續(xù)向人們展示生命的無窮奧秘。