4.6: Archaea

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学习目标

描述每类古细菌的独特特征
解释为什么古细菌可能与人类微生物群或病理学无关
举出通常与独特环境栖息地相关的古细菌的常见例子

与细菌域中的生物一样，古细菌域的生物都是单细胞生物。但是，正如《原核细胞的独特特征》中所述，古细菌在结构上与细菌有几个显著的区别。总结一下：

古细胞膜由乙醚键和分支异戊二烯链组成（与细菌细胞膜相反，细菌细胞膜与非分支脂肪酸具有酯键）。
古细胞壁缺少肽聚糖，但有些含有一种结构相似的物质，叫做 pseudopeptidoglycan 或 pseudomurein。
古细菌的基因组比细菌的基因组更大、更复杂。

Domain Archaea 与域细菌一样多样化，其代表可以在任何栖息地找到。有些古细菌是嗜中生物，许多是嗜极生物，更喜欢极热或极冷、极端盐度或其他对地球上大多数其他生命形式不利的条件。它们的新陈代谢适应恶劣的环境，例如，它们可以进行甲烷生成，而细菌和真核生物无法做到这一点。

古基因组的大小和复杂性使其难以分类。大多数分类学家都认为，在古细菌中，目前有五个主要的 phyla：Crenarchaeota、Euryarchaeota、Korarchaeota、Nananarchaeota 和 Thaumarchaeota。可能还有许多其他古生物群体尚未经过系统的研究和分类。

除少数例外，古细菌不存在于人类微生物群中，目前已知没有古细菌与人类、动物、植物或微生物的传染病有关。但是，许多在环境中起着重要作用，因此可能对人类健康产生间接影响。

Crenarchaeota

Crenarchaeota 是一类极其多样化的古细菌，包含的属和物种的形态和生长要求差异很大。所有 Crenarchaeota 都是水生生物，它们被认为是海洋中最丰富的微生物。大多数（但不是全部）Crenarchaeota 都是超热生物；其中一些（特别是 Pyrolobus 属）能够在高达 113 °C 的温度下生长。¹

Sulfol obus 属的古细菌（图\(\PageIndex{1}\)）是喜欢温度在 70—80°C 左右的嗜热生物，而偏爱 pH 值为 2—3 的嗜酸生物。 ² Sulfolobus 可以在有氧或厌氧环境中生活。在有氧气的情况下，Sulfolobus spp. 使用与异养生物相似的代谢过程。在厌氧环境中，它们氧化硫产生硫酸，硫酸储存在颗粒中。 Sulfolobus spp. 在生物技术中用于生产称为蛋白质的耐热和耐酸蛋白。 ³ Affitins 可以结合和中和各种抗原（存在于毒素或传染原体中的分子，可引起人体免疫反应）。

内部有菱形结构的球形细胞的显微照片。 — 图\(\PageIndex{1}\)：*Sulfolobus* 是 Crenarchaeota 类的古生物，它会氧化硫并将硫酸储存在其颗粒中。

另一个属是 Thermoproteus，以严格的厌氧生物为代表，其最佳生长温度为85°C。它们有鞭毛，因此具有活动性。 Thermoproteus 具有细胞膜，其中脂质形成单层而不是双层，这是古细菌的典型特征。它的新陈代谢是自养的。为了合成 ATP，Thermoproteus spp. 减少硫或分子氢气，并使用二氧化碳或一氧化碳作为碳来源。 Thermoproteus 被认为是古细菌中最深的分支属，因此是我们星球上一些最早生命形式的活生生的例子。

练习\(\PageIndex{1}\)

Crenarchaeota 更喜欢哪种类型的环境？

Euryarchaeota

phylum Euryarchaeota 包括几个不同的类别。甲烷杆菌、甲球菌和甲氧微生物类中的物种代表古细菌，通常可以描述为甲烷原。甲烷的独特之处在于它们可以在氢气存在的情况下减少二氧化碳，从而产生甲烷。它们可以在最极端的环境中生活，并且可以在从低于冰点到沸腾的温度下繁殖。在格陵兰岛的温泉和冰下深处发现了甲烷原。一些科学家甚至假设甲烷可能栖息在火星上，因为甲烷产生的气体混合物类似于火星大气层的构成。 ⁴

人们认为，甲烷通过产生硫化氢，产生 “沼气”，有助于缺氧沉积物的形成。它们还在反刍动物和人类中产生气体。尽管绝大多数是严格的厌氧菌，但某些甲烷属，尤其是 Methanosarcina，可以在有氧气的情况下生长和产生甲烷。

Halobacteria 类（在科学家意识到古细菌和细菌之间的区别之前命名）包括嗜盐（“喜欢盐”）的古细菌。 Halobacteria 在其水生环境中需要非常高浓度的氯化钠。所需的浓度接近饱和，为36％；这些环境包括死海以及南极洲和中南亚的一些咸湖。这些生物的一个显著特征是它们使用蛋白质 bacteriorhodopsin 进行光合作用，这使它们及其所居住的水体呈现出漂亮的紫色（图\(\PageIndex{2}\)）。

一张红色、白色和粉色田野的照片。 — 图\(\PageIndex{1}\)：生长在这些盐池中的卤杆菌使它们呈现出明显的紫色。（来源：托尼·希斯盖特对作品的修改）

Halobacteria 的著名物种包括 Halobacterium salinarum，它可能是地球上最古老的活生物体；科学家们已经从已有 2.5 亿年历史的化石中分离出来了 Halobacterium salinarum 的 DNA。 ⁵ 另一种物种 Haloferax volcanii 展示了一个非常复杂的离子交换系统，它使它能够平衡高温下盐的浓度

练习\(\PageIndex{2}\)

Halobacteria 生活在哪里？

寻找古细菌与疾病之间的联系

尚不清楚古细菌会在人类、动物、植物、细菌或其他古细菌中引起任何疾病。尽管这对极端生物来说是有道理的，但并非所有古细菌都生活在极端环境中。古细菌的许多属和物种都是嗜中生物，因此它们可以生活在人类和动物微生物群中，尽管它们很少生活在人类和动物微生物群中。据我们所知，一些甲烷原存在于人体胃肠道中。然而，我们没有可靠的证据表明任何古生物是任何人类疾病的病原体。

尽管如此，科学家们仍在努力寻找人类疾病与古细菌之间的联系。例如，2004年，Lepp等人提供了证据，证明一种名为Methan obrevibacter oralis 的古生物居住在牙周病患者的牙龈中。作者认为，这些甲烷的活性导致了这种疾病。 ⁶ 但是，后来发现口腔杆菌与牙周炎之间没有因果关系。牙周病似乎更有可能导致口腔厌氧区域扩大，这些区域随后由口腔杆菌居住。 ⁷

关于为什么古细菌似乎没有致病性，目前还没有好的答案，但科学家们仍在猜测并希望找到答案。

摘要

古细菌是单细胞、原核微生物，在遗传学、生物化学和生态学方面与细菌不同。
有些古细菌是嗜极生物，生活在温度极高或极低或盐度极高的环境中。
已知只有古细菌会产生甲烷。产生甲烷的古细菌被称为甲烷。
嗜盐古细菌更喜欢盐浓度接近饱和度，并使用 bacteriorhodopsin 进行光合作用。
根据化石证据，一些古细菌是地球上最古老的生物之一。
古细菌不大量生活在人类微生物群中，也不知道会导致疾病。

脚注

E. Blochl 等人。 “Pyrolobus fumani，gen. and sp. nov.，代表了一组新颖的古细菌，它将生命的温度上限延长到113 ^摄氏度。” Extremophiles 1 (1997): 14—21。
T.D. Brock 等人 “Sulfolobus：生活在低 pH 值和高温下的硫氧化细菌的新属。” Mikrobiologie 档案 84 第 1 号 (1972): 54—68。
S. Pacheco 等人 “通过插入 CDR 将亲和力转移到 Archaeal Extremophilic sac7D 蛋白上。” 蛋白质工程设计与选择 27 第 10 期 (2014): 431-438。
R.R. Britt “火山口小动物：火星微生物可能潜伏在哪里。” www.space.com/1880-crater-cri... obes-lurk.html。已于 2015 年 4 月 7 日访问。
H. Vreeland 等人 “对从古代盐晶中分离出来的二叠纪细菌的脂肪酸和脱氧核糖核酸分析揭示了与现代亲属的差异。” Extremophiles 10 (2006): 71—78。
P.W. Lepp 等人。 “产甲烷古细菌和人类牙龈病。” 《美利坚合众国国家科学院院刊》 101 第 16 期 (2004): 6176—6181。
R.I. Aminov。 “古细菌在人类疾病中的作用。” 《细胞与感染微生物学前沿》3 (2013): 42。