天賦異稟的小精靈—古菌

如果您喜歡這篇文章，請至下列網頁按〝like〞，以後就可以比較快得知此部落格的新動態。  Aug. 7, 2014
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        我在求學時期，包括在讀研究所的時候，還不知道週遭有這一群天賦異稟的小精靈。

        在1970年代以前，生物只被分成〝兩界〞，那就是植物界和動物界。等到1980-1990年代的時候，〝五界〞的分類法逐漸被接受，那就是： 植物界、動物界、菇菌界（Fungi）、原生生物界（Protist）、和細菌界（Bacteria）。這五界如果以細胞的基本結構來看，又可以分成兩大類。其中細菌界的細胞沒有〝細胞核〞或〝粒腺體〞這些細胞內器官，因而被稱為〝原核細胞域〞（the domain of Prokaryote）。 而其它四個界的細胞，都有細胞核和其它細胞內器官，因而被合稱為〝真核細胞域〞（the domain of Eukaryote）。這包括了你和我在內。

        大約從那時起十年之後，人類對原核細胞域的認識開始有了一個突破性的進展。微生物學界開始逐漸發現一些貌似細菌，可是和細菌在生化上有基本差異的微生物。在某些方面，例如藉由遺傳物質來製造蛋白質的過程，這些新被發現的微生物，甚至比較接近真核細胞生物。 最初被發現的這類微生物，既會製造甲烷，又耐熱，似乎契合早期地球的大氣環境，因此它們被命名為〝古菌〞（Archaea）。自此，〝原核細胞生物〞被劃分成〝細菌域〞和〝古菌域〞。而原來的〝五界〞的分類法，也變成了〝三域〞的分類法（細菌域、古菌域、和真核細胞域）。

        在過去的二十年之間，微生物學界又陸續發現許多新的古菌物種。而它們的生長環境，其實非常多樣化，遠遠超過起初發現的幾種環境。它們除了有些和細菌和真核細胞生物共存於一般的生長環境之外，還包括了好幾種極端惡劣的生長環境：

1.      高溫：只有少數的細菌或低等真核細胞生物，可以在攝氏60度以上的環境生長，其它的即使不死亡，也必須轉入休眠狀態苟延殘喘。（〝生長〞並非只是存活，還必須繼續進行代謝和生殖，所以休眠並不算是生長。） 但是有不少古菌的最佳生長溫度，卻是介於攝氏80度到110度。其中Methanopyrus kandler的生長溫度，高達攝氏122度。像美國黃石公園的地熱口，以及許多海底熱泉口，是大多數低等生物的煉獄，但卻是古菌大展身手的地方。

 

2.      高鹵素濃度（高鹽分）：海水的鹽分濃度，大約是3%。而有些古菌的生長環境的鹽分濃度，是海水的好幾倍，有的古菌甚至在飽和鹽水（大約30%）裡面，也可以生長。礦源池或鹽池接近乾涸的部分，常常可以見到豐富的色彩，就是一些耐高鹽分的古菌和細菌的合作成果。

3.      強酸：pH值常被用來標示酸鹼度，它的值從0到14。pH=7是中性，小於7是酸性，大於7是鹼性。pH=5比pH=6要酸上十倍；pH=9比pH=8要鹼上十倍，以此類推。人類的胃內在空腹時，pH值大約是4 - 5。進食後，大部分時間pH值大約是3 - 4。而有些古菌的生長環境的pH值則低達1 - 2，其中 Picrophilus  這一屬的古菌，其生長pH值可以低至0。

4.      強鹼：一般Amonia 溶液的pH值，大約是10 – 11。而有些古菌的生長環境的pH值，就接近此一範圍。

5.      高壓：深海海底的壓力，可以達到好幾十個、甚至上百個大氣壓。

   以上的幾種惡劣環境，雖然也有一些細菌或其他低等生物能夠存活，可是古菌具有這些特異功能的物種比例，還是比細菌或其他低等生物高出不少，特別是在比較極端的狀況之下。此外，有許多古菌兼具有兩種上述的絕活。例如有不少既耐高溫、又耐高鹽分的古菌，也有不少既耐高溫、又耐強鹼的古菌，以及不少既耐高鹽分、又耐強鹼的古菌。另外一個例子，是雖然有一些細菌和其他微生物，可以生活在高壓的深海海底。但是古菌是唯一可以生活在極高壓、而且又高溫的環境下的生物。這幾年才發現的古菌 Pyrococcus yayanosii，就可以生活在150倍大氣壓之下，也具有相當的耐熱能力。縱使不談它的耐熱能力，光是這一個壓力數字，就已經是出類拔萃了。

        大多數的細菌和真核細胞生物，是經由代謝從環境攝取到的有機化合物，來取得能量，以維持生命的。或是先以葉綠素行光合作用，自行製造有機化合物，再進行代謝。但是古菌取得能量的方式，就多樣化很多了。許多古菌是經由下列其他物質的化學變化，來取得能量的：  硝酸鹽（nitrate）、  亞硝酸鹽（nitrite）、  硫酸鹽（sulfate）、 元素硫（elemental sulfur）、 阿摩利亞（ammonia）、 和 金屬。另外，有些古菌利用一種很特殊的方法來取得能量。這些古菌會產生一種感光物質，很類似我們視網膜裡的感光物質〝rhodopsin〞。而這些古菌，像我們的視網膜受到光照會產生視神經的電位一樣，就利用這種感光物質，直接從太陽光中吸收能量，而不像其他大多數生物那樣，必須經過攝取或製造有機化合物，然後再代謝的過程。。

        古菌的這些特異功能，可以為人類帶來不少新的科技運用。例如說、古菌體內的許多酵素，是可以在惡劣環境下工作的。所以可以被用來作食品製造，生技產業、衣物清潔、生化處理、下水道清理、垃圾處理、廢水處理……等等。例如說，生物用來分解長鍊澱粉的酵素裡面，有一種重要的酵素叫做〝α-amylase〞，你和我的唾液當中都含有這種酵素。但是人體口腔內的α-amylase，其最佳工作溫度是體溫，對食品製造業的用途有限。但是有一屬古菌Pyrococcus 的α-amylase，在攝氏130度還能工作，這對食品製造業就很有價值了。 此外，有些古菌對金屬的化學處理能力，還可以被用來進行生物性採礦（bio-mining）。

         到目前為止，微生物學家已經在人體的皮膚、口腔、和腸道發現了好幾種古菌，可是至今還沒有一種古菌，被發現是致人類疾病的元兇。頂多是少數古菌，或許有引起口腔疾病的幫兇嫌疑罷了。

        綜合以上的資訊，古菌這一群天賦異稟的小精靈，大多數還可以算是與人類親善的朋友呢！