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Wednesday, December 11, 2013

天賦異稟的小精靈—古菌

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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的小精靈。
        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014pH=7是中性,小於7是酸性,大於7是鹼性。pH=5pH=6要酸上十倍;pH=9pH=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)、 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!

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