图虫创意

随着全球变暖等环境问题愈演愈烈，清洁新能源得到了迅猛的发展。除了大家耳熟能详的太阳能和风能以外，以氢气为燃料的氢能也是一种非常重要的清洁能源，因为氢的燃烧只会产生宝贵的水，而完全没有二氧化碳的排放。但是，氢气的制造和储运都有较高的技术难度，成本居高不下。如今，生物学家的一项新发现或许能带来新的技术路径，让古菌帮我们制造氢气。

什么是古菌呢？它们表面上与细菌非常类似，都是很小的单细胞生物，所以曾经在很长一段时间内被称为古细菌。因为当时的科学家们相信，它们是比细菌还古老的存在。但是，随着近年来基因组测序技术的发展，越来越多的证据表明，这些所谓的古细菌其实与细菌不是一类生物，因此，它们被生物学家们重新命名为古菌，成为单独的一个古菌域。与之相对的是细菌域，以及真核生物域。我们日常能够见到的各种宏观生物，比如植物、动物，包括我们人类自身，还有真菌等一些微生物，都是属于真核生物域。

之所以关于古菌的认识会有如此的曲折，主要还是因为它们与细菌太像了，而不太像是真核生物的细胞。比如说，真核生物的细胞内都有一个成形的，被核膜包裹起来的细胞核，而古菌和细菌都没有成型的细胞核，所以古菌和细菌才会被统称为原核生物。此外，古菌和细菌的细胞大小都显著小于真核细胞，古菌和细菌的基因组都是环状的，而真核细胞的基因组会装配成结构复杂的染色体。

但是，随着人类对于生物的认知深入到分子层次之后却发现，古菌的一些核心系统更像是真核生物。比如，古菌和真核生物的DNA都会缠绕在一类叫作组蛋白的蛋白质上，从而提高了结构稳定性的可调控性，而细菌就没有这样的机制。在更深入的层面上，古菌的转录机制、DNA复制机制、DNA修复机制，以及这些机制中涉及到的酶类，都更接近真核生物的系统，与细菌的系统有较大的差异。

此外，古菌还有一些自己所特有的特征，比如它们的细胞膜组成就与细菌和真核生物都不一样。

正是因此这种交叉纠缠的类似性，科学家们发现很难梳理清楚古菌、细菌和真核生物之间的进化起源关系。目前接受程度较高的一种理论认为，真核生物是古菌与细菌偶然结合在一起而产生的。但是这一理论也存在无法解释的一些环节，仍旧有待研究。

无论起源如何，在今天的地球上，古菌与细菌和我们真核生物和谐地生活在一起。早期研究发现的古菌主要位于一些极端环境中，比如深海下高压高温的热泉口，以及一些含有极端化学物质的环境中。然而随着基因组测序的发展，特别是对微生物菌群的宏基因组测序研究发现，古菌其实广泛存在于地球上的多种环境中，甚至是我们的肠道之中。人类和牛等其他哺乳动物的肠道中就有一类产甲烷菌，这种古菌帮助了我们的消化，同时也让我们的消化过程产生了一些味道。

在极端化学环境中生存的古菌往往有自己独特的生存之道。它们既没有办法像植物那样进行光合作用，也没有办法获得其他生物提供的营养。因此，这些古菌就发展出了从化学反应中获取能量的办法。比如对于我们来说有着恶臭和毒性的硫化物，就可以作为能量的来源。科学家们近期的研究发现，有些古菌为了排出产能过程中产生的多余电子，就进化出了一种氢化酶，能够催化电子与水中的氢离子结合，从而生成氢气。

此前在细菌和真核生物中已经发现了氢化酶，但是古菌因为生存在极端环境中，因此它们的氢化酶能够在更极端的环境中稳定工作，这就给氢化酶的工业化应用带来了希望。未来，没准你开的氢能源汽车就是由古菌来供氢的。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者： 叶盛

审核： 陶宁 中科院生物物理所 副研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

内容资源由项目单位提供