古菌登場！氫能源汽車未來或由“微生物”驅(qū)動

圖蟲創(chuàng)意

隨著全球變暖等環(huán)境問題愈演愈烈，清潔新能源得到了迅猛的發(fā)展。除了大家耳熟能詳?shù)奶柲芎惋L(fēng)能以外，以氫氣為燃料的氫能也是一種非常重要的清潔能源，因為氫的燃燒只會產(chǎn)生寶貴的水，而完全沒有二氧化碳的排放。但是，氫氣的制造和儲運(yùn)都有較高的技術(shù)難度，成本居高不下。如今，生物學(xué)家的一項新發(fā)現(xiàn)或許能帶來新的技術(shù)路徑，讓古菌幫我們制造氫氣。

什么是古菌呢？它們表面上與細(xì)菌非常類似，都是很小的單細(xì)胞生物，所以曾經(jīng)在很長一段時間內(nèi)被稱為古細(xì)菌。因為當(dāng)時的科學(xué)家們相信，它們是比細(xì)菌還古老的存在。但是，隨著近年來基因組測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明，這些所謂的古細(xì)菌其實與細(xì)菌不是一類生物，因此，它們被生物學(xué)家們重新命名為古菌，成為單獨的一個古菌域。與之相對的是細(xì)菌域，以及真核生物域。我們?nèi)粘Ｄ軌蛞姷降母鞣N宏觀生物，比如植物、動物，包括我們?nèi)祟愖陨?，還有真菌等一些微生物，都是屬于真核生物域。

之所以關(guān)于古菌的認(rèn)識會有如此的曲折，主要還是因為它們與細(xì)菌太像了，而不太像是真核生物的細(xì)胞。比如說，真核生物的細(xì)胞內(nèi)都有一個成形的，被核膜包裹起來的細(xì)胞核，而古菌和細(xì)菌都沒有成型的細(xì)胞核，所以古菌和細(xì)菌才會被統(tǒng)稱為原核生物。此外，古菌和細(xì)菌的細(xì)胞大小都顯著小于真核細(xì)胞，古菌和細(xì)菌的基因組都是環(huán)狀的，而真核細(xì)胞的基因組會裝配成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的染色體。

但是，隨著人類對于生物的認(rèn)知深入到分子層次之后卻發(fā)現(xiàn)，古菌的一些核心系統(tǒng)更像是真核生物。比如，古菌和真核生物的DNA都會纏繞在一類叫作組蛋白的蛋白質(zhì)上，從而提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的可調(diào)控性，而細(xì)菌就沒有這樣的機(jī)制。在更深入的層面上，古菌的轉(zhuǎn)錄機(jī)制、DNA復(fù)制機(jī)制、DNA修復(fù)機(jī)制，以及這些機(jī)制中涉及到的酶類，都更接近真核生物的系統(tǒng)，與細(xì)菌的系統(tǒng)有較大的差異。

此外，古菌還有一些自己所特有的特征，比如它們的細(xì)胞膜組成就與細(xì)菌和真核生物都不一樣。

正是因此這種交叉糾纏的類似性，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很難梳理清楚古菌、細(xì)菌和真核生物之間的進(jìn)化起源關(guān)系。目前接受程度較高的一種理論認(rèn)為，真核生物是古菌與細(xì)菌偶然結(jié)合在一起而產(chǎn)生的。但是這一理論也存在無法解釋的一些環(huán)節(jié)，仍舊有待研究。

無論起源如何，在今天的地球上，古菌與細(xì)菌和我們真核生物和諧地生活在一起。早期研究發(fā)現(xiàn)的古菌主要位于一些極端環(huán)境中，比如深海下高壓高溫的熱泉口，以及一些含有極端化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中。然而隨著基因組測序的發(fā)展，特別是對微生物菌群的宏基因組測序研究發(fā)現(xiàn)，古菌其實廣泛存在于地球上的多種環(huán)境中，甚至是我們的腸道之中。人類和牛等其他哺乳動物的腸道中就有一類產(chǎn)甲烷菌，這種古菌幫助了我們的消化，同時也讓我們的消化過程產(chǎn)生了一些味道。

在極端化學(xué)環(huán)境中生存的古菌往往有自己獨特的生存之道。它們既沒有辦法像植物那樣進(jìn)行光合作用，也沒有辦法獲得其他生物提供的營養(yǎng)。因此，這些古菌就發(fā)展出了從化學(xué)反應(yīng)中獲取能量的辦法。比如對于我們來說有著惡臭和毒性的硫化物，就可以作為能量的來源?？茖W(xué)家們近期的研究發(fā)現(xiàn)，有些古菌為了排出產(chǎn)能過程中產(chǎn)生的多余電子，就進(jìn)化出了一種氫化酶，能夠催化電子與水中的氫離子結(jié)合，從而生成氫氣。

此前在細(xì)菌和真核生物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氫化酶，但是古菌因為生存在極端環(huán)境中，因此它們的氫化酶能夠在更極端的環(huán)境中穩(wěn)定工作，這就給氫化酶的工業(yè)化應(yīng)用帶來了希望。未來，沒準(zhǔn)你開的氫能源汽車就是由古菌來供氫的。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者： 葉盛

審核： 陶寧 中科院生物物理所 副研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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