古生菌的多樣性課件講義

第十三章微生物物種的多樣性第二節(jié)古生菌的多樣性第十三章微生物物種的多樣性第二節(jié)古生菌的多樣性1知識點回顧現代生物進化的測量指征—分子尺，rRNA系統(tǒng)發(fā)育樹和分子系統(tǒng)樹三界（域）生物的系統(tǒng)樹真細菌的12個獨特類群知識點回顧現代生物進化的測量指征—分子尺，rRNA2本次課程講授的知識點古生菌的分類歷程（分類地位）古生菌的系統(tǒng)發(fā)育總觀（概述）古生菌的多樣性（物種分類）（重點、難點）古生菌的培養(yǎng)古生菌的研究意義和應用發(fā)展前景本次課程講授的知識點古生菌的分類歷程（分類地位）3引言現在地球已經走過了46億個春秋，地質學、古生物學和地球化學直接或間接證據都表明：大約在地球形成10億年之后，我們這個星球開始出現生命?，F在估計有分類紀錄的各類物種大約有150萬種。其中微生物超過了10萬種，這也僅僅是保守估計，還沒有發(fā)現的微生物還有成千上萬種。由于微生物的獨特性質使其不像動植物一樣可以宏觀觀察、鑒定，所以大量微生物仍然無名無姓的生活在各種環(huán)境中。隨著時代的不同，地球上的物種也幾經變化。但是其中有一類生物幾乎沒有發(fā)生任何改變，那就是古生菌，也即古細菌。引言現在地球已經走過了46億個春秋，地質學、古生物學和地4一、古生菌的分類歷程自從發(fā)現古生菌那一天開始，古生菌定位的爭論就一直沒有停止過。但是細菌這個名詞出現的很晚，而古生菌這個稱呼就更晚了，它直到1990年才被提出來。

一、古生菌的分類歷程自從發(fā)現古生菌那一天開始，古生菌定位的爭5

20世紀60年代末以前主要根據細胞核的結構把生物分為原核生物和真核兩大類。由于古生菌沒有真正的細胞核，所以科學家“理所當然”的把“古生菌”作為細菌的一類歸屬于原核生物。

20世紀60年代末以前主要根據細胞核的結構把生物分為原核生6近代有人提出諸如：三、四、五或者六界的生物分類系統(tǒng)，雖分類有些不同，但是分類的基本依據卻是一樣的，即以生物整體及細胞形態(tài)學特征和某些生理特征作為推斷生物親緣關系的指征。按無細胞階段→原核階段→真核階段。共設三總界下設五界：

古生菌的多樣性課件講義7（一）非細胞總界（SuperkingdomAcytonia）（二）原核總界（SuperkingdomProcaryota）1．細菌界（KingdomMycomonera）2．藍藻界（KingdomPhycomocera）（三）真核總界（SuperkingdomEucaryota）3．植物界（KingdonPlantae）4．真菌界（KingdomFungi）5．動物界（KingdomAnimalia）（一）非細胞總界（SuperkingdomAcytonia8在這個廣被人們認可的五界分類系統(tǒng)中，仍認為古生菌是細菌的進化過程中一種形式，并未引起人們的注意，可能正因為這樣，這類微生物才被命名為"古細菌",直至找到了新的特征作為生物進化的指征，古生菌才算被驗明正身，穩(wěn)穩(wěn)的坐上了生物進化的"第三把交椅"。人們發(fā)現分子序列進化的改變量（氨基酸或核苷酸替換的百分率）與分子進化的時間成正比。為了遵循分子時鐘的選取原則，最終人們找到了16SrRNA，人們稱之為"分子尺"。rRNA序列測定和分析方法分為兩大類：寡核苷酸編目法和全序列分析法。

在這個廣被人們認可的五界分類系統(tǒng)中，仍認為古生菌是細菌的進化91977年CarlWoese&GeorgeFox運用現代的鑒定方法發(fā)現產甲烷細菌完全沒有作為細菌特征的那些序列,因此提出了生命的第三種形式——古細菌（Archaeobacteria），在廣泛鑒定上，提出了三界學說（不同于陳世驤的三總界學說）：古細菌、真細菌、真核生物。后來發(fā)展為代表當前人們認識水平的八界系統(tǒng)（Cavalier--Smith，1988--1989）1977年CarlWoese&GeorgeFox運用現代10八界系統(tǒng)EmpireBacteria（細菌總界）1．KingdomEubacteria（真細菌界）2．KingdomArchaebacteria（古細菌界）EmpireEukaryota（真核總界）3．KingdomArchezoa（古菌界？）4．KingdomProtozoa（原生動物界）5．KingdomPlantae（植物界）6．KingdomAnimalia（動物界）7．KingdomFungi（真菌界）8．KingdomChromista（藻界）八界系統(tǒng)EmpireBacteria（細菌總界）111990年Woese為了避免把古細菌始終看作細菌一類，把三界改為Bacteria（細菌）、Archaea（古生菌）和Eukarya（真核生物），并首次提出了一個涵蓋整個生命界的系統(tǒng)樹。1990年Woese為了避免把古細菌始終看作細菌一類，把三界12全生命系統(tǒng)樹（Olsen和Woese1993）全生命系統(tǒng)樹13真細菌和古生菌的區(qū)別:雖然古生菌在顯微鏡下有著和真細菌幾乎相似的形態(tài)，同時也沒有真正的細胞核，因此早期人們把它作為細菌的一種。其形態(tài)與真細菌很相似，但這是兩個絕不相同的生物類群?，F以其細胞壁的組成的異同為例說明這一點。為何要把古生菌作為獨立的分類單位？真細菌和古生菌的區(qū)別:為何要把古生菌作為獨立的分類單位？14真細菌的細胞壁（1）G﹢細胞壁厚度大（20-80nm），化學組分簡單：90%肽聚糖、10%磷壁酸。其肽聚糖層為由N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺構成的二糖重復單元及肽尾肽橋構成的三維網狀結構，其四肽尾由L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala構成；磷壁酸分為兩種一種為與肽聚糖分子進行共價結合，含量隨培養(yǎng)基發(fā)生變化的壁磷壁酸，一種為跨越肽聚糖層并與細胞膜共價交聯的膜磷壁酸。構成主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸。

真細菌分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌真細菌的細胞壁（1）G﹢細胞壁厚度大（20-80nm），化15（2）G-中肽聚糖層在外膜層內，厚度僅有2-3nm，占細胞總重的10%。對機械強度抵抗力較G﹢弱。單位結構和G﹢基本相同，僅沒有特殊肽橋，而且肽尾上第三個氨基酸由內消旋二氨基庚二酸代替。G-有重要的外壁層，由脂多糖、磷脂、脂蛋白等構成。脂多糖（細胞壁最外面，厚度8-10nm）由類脂A、核心多糖、O-特異側鏈組成。

（2）G-中肽聚糖層在外膜層內，厚度僅有2-3nm，占細胞16肽聚糖外膜外膜蛋白周質空間肽聚糖外膜外膜蛋白周質空間17古生菌的多樣性課件講義18真細菌的細胞壁功能

⑴固定細胞外形和提高機械強度，從而使其免受滲透壓等外力的損傷。⑵為細胞的生長、分裂、鞭毛運動所必需。⑶阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質進入細胞，保護細胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等物質的損傷。⑷賦予細菌具有特定的抗原性、致病性以及對抗生素和噬菌體的敏感性。真細菌的細胞壁功能⑴固定細胞外形和提高機械強度，從而使其19古生菌的細胞壁古生菌中除了熱原體屬沒有細胞壁外，其余都具有與真細菌類似功能的細胞壁，但是其化學成分相差極大。一些研究過的古生菌表明，其細胞壁中沒有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白質構成的。古生菌的細胞壁古生菌中除了熱原體屬沒有細胞壁外，其余都具有與20多糖--假肽聚糖（以甲烷桿菌屬為例）是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔羅糖胺糖醛酸以β-1,3糖苷鍵（不被溶菌酶溶解）交替連接形成，連在后一氨基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala和L-Lys三個L型氨基酸組成，肽橋則由L-Glu一個氨基酸組成。糖蛋白（以鹽桿菌屬為例）包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白則由大量酸性氨基酸組成。這種帶強負電荷的細胞壁可平衡環(huán)境中高濃度的Na+，從而使其能很好的生活在20%-25%高鹽溶液中。古生菌的多樣性課件講義21近20年來古生菌的細胞脂膜越來越受到學術界的重視。研究發(fā)現雖然它本質上也是由磷脂組成，但是它比真細菌或真核生物的細胞脂膜更明顯的具有多樣性。獨特的細胞膜結構近20年來古生菌的細胞脂膜越來越受到學術界的重視。研究發(fā)現雖22親水頭（甘油）與疏水尾（烴鏈）間是通過醚鍵而不是通過脂鍵連接。組成疏水尾的長鏈烴是異戊二烯的重復單位，它與親水頭通過醚鍵連接成甘油二醚或二甘油四醚等。而在真細菌或真核生物中的疏水尾為脂肪酸古生菌的細胞脂膜中存在著獨特的單分子層膜或單雙分子層混合膜，而真細菌或真核生物的細胞脂膜都是雙分子層。單分子層膜存在于嗜高溫的古生菌中，其原因可能是這種膜的機械強度要比雙分子層脂膜更高。在甘油的3C分子上，可連接多種與真細菌和真核生物細胞脂膜上不同的基團，如磷酸脂基、硫酸脂基以及多種糖基。細胞脂膜上含有多種獨特脂類。親水頭（甘油）與疏水尾（烴鏈）間是通過醚鍵而不是通過脂鍵連接23其實在細胞結構和代謝上，古生菌在許多方面還是接近其他原核生物，然而在基因轉錄過程上，它并不明顯表現出細菌的特征，反而非常接近真核生物。比如古生菌的轉譯使用真核的啟動和延伸因子，且轉譯過程需要真核生物中的TATA框結合蛋白和TFIIB。因此將其作為獨立的分類單位。其實在細胞結構和代謝上，古生菌在許多方面還是接近其他原核生物24二、古生菌系統(tǒng)發(fā)育總觀直到20世紀70年代后，由于細胞化學組分分析和分子生物學方法的建立，特別是16SrRNA序列分析方法的不斷完善，才對產甲烷細菌、嗜熱細菌、嗜鹽細菌等極端環(huán)境微生物的研究逐步深入，人們終于對古生菌的系統(tǒng)發(fā)育有了了解和認識。并根據現代的生物鑒定方法——16SrRNA序列分析并結合其他生物學特征，古生菌為5個類群。

二、古生菌系統(tǒng)發(fā)育總觀直到20世紀70年代后，由于細胞化學組25古生菌的多樣性課件講義26三、古生菌的分類從rRNA進化樹上，古生菌分為兩類：廣古菌門(Euryarchaeota)泉古菌門(Crenarchaeota)另外未確定的兩類分別是：初古菌門(Korarchaeota)納古菌門(Nanoarchaeumequitans）三、古生菌的分類從rRNA進化樹上，古生菌分為兩類：27廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數種類，包括了經常能在動物腸道中發(fā)現的產甲烷菌、在極高鹽濃度下生活的鹽桿菌、一些超嗜熱的好氧和厭氧菌，也有海洋類群。在16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹上，它們組成一個單系群。廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數種28廣古菌門的主要類群1、產甲烷古生菌2、極端嗜鹽古生菌3、超嗜熱古生菌4、無細胞壁古生菌5、還原硫酸鹽古生菌廣古菌門的主要類群1、產甲烷古生菌291、產甲烷古生菌產甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴格厭氧的、能形成甲烷的化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。產甲烷細菌是都能產生甲烷的一大類群，因此包括了球形、桿形、螺旋形、長絲狀等不同形態(tài)。1、產甲烷古生菌產甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴格厭氧的、能30（1）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumthermoautotrophicum

0.2-1.0mmx1.2-120mmOptimumtemperaturerangesfrom35-70oCCellsstainGramnegative（1）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumt31（2）亨氏甲烷螺菌

Methanospirillumhungatei

（2）亨氏甲烷螺菌Methanospirillumhun32大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動物、人類和其它動物的腸道中,或是腐朽的植物,以及缺氧的廢水爛泥中。M.smithii是唯一一種生長在人類腸道的甲烷短桿菌(圖)。

（3）甲烷短桿菌屬

Methanobrevibacterspp.

大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動物、人類和其它動物的腸道中,332、極端嗜鹽古生菌這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽環(huán)境中的古菌。AAUUAG序列是其標志，均為革蘭氏陰性菌。采用二分裂法進行繁殖，無休眠狀態(tài)，不產孢子，多數不運動，少數靠鞭毛運動。2、極端嗜鹽古生菌這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽34（1）鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細胞桿狀(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。運動。有些菌株具有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。生活在鹽湖、鹽場及腐敗的鹽制品等中性鹽環(huán)境中。（1）鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細胞桿35Halobacteriumsp.

Halobacteriumsp.363、極端嗜熱古生菌UAACACCAG和CACCACAAG序列是其寡核苷酸標志。極端嗜熱或超嗜熱，生長要求的溫度范圍為45℃~110℃，最適為70℃~105℃，且要求pH為1~3的高酸度環(huán)境。有化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和兼性營養(yǎng)三種不同的營養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫為H2S。主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后的煤礦等環(huán)境。3、極端嗜熱古生菌UAACACCAG和CACCACAAG序列37硫化葉菌是第一個分離鑒定的極端嗜熱古細菌(Brock等，1970)，生長在富硫的酸熱泉中，溫度達90℃以上，pH1～1.5。硫化葉菌硫化葉菌是第一個分離鑒定的極端嗜熱古細菌(Brock等，1938AAAACUG和ACCCCA序列是遺傳標志。這是一類無細胞壁的原核生物，像無細胞壁的支原體。由于其無細胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機營養(yǎng)，所以被稱為熱源體（或熱原體，眾說不一）。長度0.2μm到1-5μm。有的種具有多根鞭毛，能夠運動。4、無細胞壁古生菌——熱原體屬AAAACUG和ACCCCA序列是遺傳標志。這是一類無細胞壁39熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端環(huán)境，是因為它們雖然沒有堅韌的細胞壁，但發(fā)育出一種帶有甘露糖和葡萄糖單位的四醚類脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作為質膜的主要成分。同時，質膜中也含有糖肽，但沒有固醇類化合物，這樣的質膜使熱原體表現出對滲透壓、酸、熱的穩(wěn)定性。熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端40目前已知的熱原體只有三個種：嗜酸熱原體(T.acidophilus)氧化硫熱原體(T.thiooxidans)火山熱原體(T.volcanium)

目前已知的熱原體只有三個種：415、還原硫酸鹽古生菌

這一類主要是指古生球菌（Archaeoglobales）的古生菌。細胞成不規(guī)則類球形、三角形等，直徑在0.4~2.0μm，單個或成對，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在420nm處可產藍綠色熒光，嚴格厭氧。具有糖蛋白的細胞壁，以H2、乳酸、葡萄糖作為電子供體，將硫酸鹽、亞硫酸鹽或硫代硫酸鹽還原成硫化物，元素硫不能接受電子，這種獨特的還原硫酸鹽的能力與其它的硫代謝的古生菌有所不同。棲息于海底熱水流火山口。5、還原硫酸鹽古生菌這一類主要是指古生球菌（Archaeo42閃爍古生球菌

A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地層深部儲油層?；茏责B(yǎng)，單極多生鞭毛，并產少量甲烷。閃爍古生球菌A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地43古生菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古生菌。很多產甲烷的古生菌存在于動物的消化道中，如反芻動物、白蟻或者人類。古生菌通常對其它生物無害，且未知有致病古生菌。古生菌的分布古生菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活44古生菌的形態(tài)和大小

單個古生菌細胞直徑在0.1到15微米之間，有一些種類形成細胞團簇或者纖維，長度可達200微米。它們可有各種形狀，如球形、桿形、螺旋形、葉狀或方形。它們具有多種代謝類型。古生菌的形態(tài)和大小單個古生菌細胞直徑在0.1到15微米之間45四、古生菌的培養(yǎng)Koch等建立的在實驗室人工條件下對微生物進行分離和純培養(yǎng)技術，100多年來一直是我們研究、認識各種微生物的基本手段。目前定種的僅有5000多種(有人認為還有超過99%的尚未被認識到)在目前的條件下不能或很難在實驗室進行人工培養(yǎng)，不可能得到其純培養(yǎng)物并對其進行形態(tài)、生理、遺傳等特性的研究。四、古生菌的培養(yǎng)Koch等建立的在實驗室人工條件下對微生物進46尤其是對于古細菌更是如此。在實驗室很難或不能模仿其生存的極端環(huán)境，這就使得對于古生菌的研究長期停留在一個低水平的模糊認識階段。不過由于科學技術的進步，研究手段的進一步提高，現在人們已經有可能在不進行培養(yǎng)的情況下研究微生物。古生菌的多樣性課件講義47五、古生菌的研究意義和應用發(fā)展前景研究意義1、為微生物進化、生命起源的研究提供新的材料。

產甲烷古菌是一種極其古老的微生物，能在無氧、無陽光的條件下生存，借助化學反應的能量或地熱等進行新陳代謝，甲烷是其代謝產物。五、古生菌的研究意義和應用發(fā)展前景研究意義482005年12月5日，加利福尼亞大學巴福特?普賴斯教授及其同事測量了長3000米冰芯中的甲烷濃度,該冰芯是在格陵蘭島鉆探冰層時獲得的。這項研究在研究地球氣候的格林蘭冰原計劃2(GISP2)范圍內進行,在冰芯中測到的甲烷濃度超過冰層中允許甲烷濃度水平10倍,該冰層“年齡”超過10萬年?？茖W家認為,如此高甲烷濃度是由于冰層中存在甲烷細菌—Archaea古生菌造成的。Archaea古生菌也在記錄有高濃度甲烷的其他冰芯層中發(fā)現,冰層深度為冰覆蓋層以下17.35米和100米。測量表明,80%的Archaea古生菌迄今一直生存在冰層中并產生甲烷,造成冰芯一定冰層中甲烷濃度過高。2005年12月5日，加利福尼亞大學巴福特?普賴斯教授及其同49從永凍冰層分離微生物從永凍冰層分離微生物50科學家稱，這種能在極端嚴酷條件下生存的微生物有可能在火星上生存。研究人員認為產甲烷古菌很可能存在于火星上，并且是火星大氣中甲烷的來源。為了驗證這一設想他們制造一臺熒光探測儀，用來探測產甲烷古菌新陳代謝時產生的微弱熒光，這臺儀器能探測出每毫升土壤或地層中存在的1個古菌，安裝在新的火星車上尋找火星生命。科學家稱，這種能在極端嚴酷條件下生存的微生物有可能在火星上生51科學家在火星上放置了兩臺火星車（機遇號和勇氣號），探尋火星上到底是否有生命存在。機遇號從火星上找到了不少的的證據，（1）這些證據首先證明火星上曾經有液態(tài)水。只有水才有可能存在細菌等微生物。（2）火星上存在甲烷氣體。研究人員認為，甲烷古菌很可能存在于火星上，也是火星大氣中甲烷的來源?？茖W家在火星上放置了兩臺火星車（機遇號和勇氣號），探尋火星上52通過兩輛火星車的探索，在火星上面發(fā)現了水及在火星的大氣中發(fā)現甲烷，其中甲烷是生物所制造的。而甲烷古生菌可以生存在極端的環(huán)境，包含了地底深處、沙漠、海洋深處、火山或地熱區(qū)、鹽湖或鹽海、地球以外的星球等。甲烷菌只需CO2和H2就能生存，但只要一遇到氧氣就會死亡。菌體經過甲烷化過程產生能量。甲烷古菌還將成為人類在太空中找尋生命的理論依據和材料。結論通過兩輛火星車的探索，在火星上面發(fā)現了水及在火星的大氣中發(fā)現532、為微生物生理、遺傳、分類乃至生命科學及相關學科許多領域，如功能基因組學、生物電子器材等的研究提供新的課題和材料。

3、開發(fā)利用新的微生物資源，包括特異性的基因資源。2、為微生物生理、遺傳、分類乃至生命科學及相關學科許多領域，54應用、發(fā)展前景（1）在極端嗜鹽古生菌中存在一種特殊的系統(tǒng)--菌視紫素和光介導ATP合成系統(tǒng)，當嗜鹽菌處于厭氧條件下時會產生一種菌視紫素嵌入細胞脂膜中，成為紫膜。使菌體成為紅紫色。其膜片約占全膜的50%，由25%的脂類和75%的蛋白質組成?？蓮娏椅?70nm處的綠色光譜區(qū)。具有光合作用和光能轉換作用，如將光能轉化為電能。同時紫膜的分子結構在光作用下可改變構像，可能會應用于將來的生物計算機的光開關或者存儲器等中。應用、發(fā)展前景（1）在極端嗜鹽古生菌中存在一種特殊的系統(tǒng)--55（2）基因工程中常用載體為質粒，質粒要求有較小的分子量、具有較高拷貝數等。在極端嗜鹽古生菌的鹽桿菌和鹽球菌細胞內存在著多拷貝的大質粒，質粒DNA占細胞總DNA的25%-30%遠遠超過真細菌0.5%-3%的含量。這可能會成為基因工程的一種良好材料。更重要的是，嗜鹽、嗜熱、嗜酸等古生菌中的抗高溫、高鹽、高堿、高酸等基因，為基因工程提供了極其豐富而獨特的基因資源。（2）基因工程中常用載體為質粒，質粒要求有較小的分子量、具56本次課程講授知識點小結古生菌的分類歷程（分類地位）古生菌的系統(tǒng)發(fā)育總觀（概述）古生菌的多樣性（物種分類）古生菌的培養(yǎng)古生菌的研究意義和應用、發(fā)展前景本次課程講授知識點小結古生菌的分類歷程（分類地位）57TheendThankyouTheend58第十三章微生物物種的多樣性第二節(jié)古生菌的多樣性第十三章微生物物種的多樣性第二節(jié)古生菌的多樣性59知識點回顧現代生物進化的測量指征—分子尺，rRNA系統(tǒng)發(fā)育樹和分子系統(tǒng)樹三界（域）生物的系統(tǒng)樹真細菌的12個獨特類群知識點回顧現代生物進化的測量指征—分子尺，rRNA60本次課程講授的知識點古生菌的分類歷程（分類地位）古生菌的系統(tǒng)發(fā)育總觀（概述）古生菌的多樣性（物種分類）（重點、難點）古生菌的培養(yǎng)古生菌的研究意義和應用發(fā)展前景本次課程講授的知識點古生菌的分類歷程（分類地位）61引言現在地球已經走過了46億個春秋，地質學、古生物學和地球化學直接或間接證據都表明：大約在地球形成10億年之后，我們這個星球開始出現生命?，F在估計有分類紀錄的各類物種大約有150萬種。其中微生物超過了10萬種，這也僅僅是保守估計，還沒有發(fā)現的微生物還有成千上萬種。由于微生物的獨特性質使其不像動植物一樣可以宏觀觀察、鑒定，所以大量微生物仍然無名無姓的生活在各種環(huán)境中。隨著時代的不同，地球上的物種也幾經變化。但是其中有一類生物幾乎沒有發(fā)生任何改變，那就是古生菌，也即古細菌。引言現在地球已經走過了46億個春秋，地質學、古生物學和地62一、古生菌的分類歷程自從發(fā)現古生菌那一天開始，古生菌定位的爭論就一直沒有停止過。但是細菌這個名詞出現的很晚，而古生菌這個稱呼就更晚了，它直到1990年才被提出來。

一、古生菌的分類歷程自從發(fā)現古生菌那一天開始，古生菌定位的爭63

20世紀60年代末以前主要根據細胞核的結構把生物分為原核生物和真核兩大類。由于古生菌沒有真正的細胞核，所以科學家“理所當然”的把“古生菌”作為細菌的一類歸屬于原核生物。

20世紀60年代末以前主要根據細胞核的結構把生物分為原核生64近代有人提出諸如：三、四、五或者六界的生物分類系統(tǒng)，雖分類有些不同，但是分類的基本依據卻是一樣的，即以生物整體及細胞形態(tài)學特征和某些生理特征作為推斷生物親緣關系的指征。按無細胞階段→原核階段→真核階段。共設三總界下設五界：

古生菌的多樣性課件講義65（一）非細胞總界（SuperkingdomAcytonia）（二）原核總界（SuperkingdomProcaryota）1．細菌界（KingdomMycomonera）2．藍藻界（KingdomPhycomocera）（三）真核總界（SuperkingdomEucaryota）3．植物界（KingdonPlantae）4．真菌界（KingdomFungi）5．動物界（KingdomAnimalia）（一）非細胞總界（SuperkingdomAcytonia66在這個廣被人們認可的五界分類系統(tǒng)中，仍認為古生菌是細菌的進化過程中一種形式，并未引起人們的注意，可能正因為這樣，這類微生物才被命名為"古細菌",直至找到了新的特征作為生物進化的指征，古生菌才算被驗明正身，穩(wěn)穩(wěn)的坐上了生物進化的"第三把交椅"。人們發(fā)現分子序列進化的改變量（氨基酸或核苷酸替換的百分率）與分子進化的時間成正比。為了遵循分子時鐘的選取原則，最終人們找到了16SrRNA，人們稱之為"分子尺"。rRNA序列測定和分析方法分為兩大類：寡核苷酸編目法和全序列分析法。

在這個廣被人們認可的五界分類系統(tǒng)中，仍認為古生菌是細菌的進化671977年CarlWoese&GeorgeFox運用現代的鑒定方法發(fā)現產甲烷細菌完全沒有作為細菌特征的那些序列,因此提出了生命的第三種形式——古細菌（Archaeobacteria），在廣泛鑒定上，提出了三界學說（不同于陳世驤的三總界學說）：古細菌、真細菌、真核生物。后來發(fā)展為代表當前人們認識水平的八界系統(tǒng)（Cavalier--Smith，1988--1989）1977年CarlWoese&GeorgeFox運用現代68八界系統(tǒng)EmpireBacteria（細菌總界）1．KingdomEubacteria（真細菌界）2．KingdomArchaebacteria（古細菌界）EmpireEukaryota（真核總界）3．KingdomArchezoa（古菌界？）4．KingdomProtozoa（原生動物界）5．KingdomPlantae（植物界）6．KingdomAnimalia（動物界）7．KingdomFungi（真菌界）8．KingdomChromista（藻界）八界系統(tǒng)EmpireBacteria（細菌總界）691990年Woese為了避免把古細菌始終看作細菌一類，把三界改為Bacteria（細菌）、Archaea（古生菌）和Eukarya（真核生物），并首次提出了一個涵蓋整個生命界的系統(tǒng)樹。1990年Woese為了避免把古細菌始終看作細菌一類，把三界70全生命系統(tǒng)樹（Olsen和Woese1993）全生命系統(tǒng)樹71真細菌和古生菌的區(qū)別:雖然古生菌在顯微鏡下有著和真細菌幾乎相似的形態(tài)，同時也沒有真正的細胞核，因此早期人們把它作為細菌的一種。其形態(tài)與真細菌很相似，但這是兩個絕不相同的生物類群?，F以其細胞壁的組成的異同為例說明這一點。為何要把古生菌作為獨立的分類單位？真細菌和古生菌的區(qū)別:為何要把古生菌作為獨立的分類單位？72真細菌的細胞壁（1）G﹢細胞壁厚度大（20-80nm），化學組分簡單：90%肽聚糖、10%磷壁酸。其肽聚糖層為由N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺構成的二糖重復單元及肽尾肽橋構成的三維網狀結構，其四肽尾由L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala構成；磷壁酸分為兩種一種為與肽聚糖分子進行共價結合，含量隨培養(yǎng)基發(fā)生變化的壁磷壁酸，一種為跨越肽聚糖層并與細胞膜共價交聯的膜磷壁酸。構成主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸。

真細菌分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌真細菌的細胞壁（1）G﹢細胞壁厚度大（20-80nm），化73（2）G-中肽聚糖層在外膜層內，厚度僅有2-3nm，占細胞總重的10%。對機械強度抵抗力較G﹢弱。單位結構和G﹢基本相同，僅沒有特殊肽橋，而且肽尾上第三個氨基酸由內消旋二氨基庚二酸代替。G-有重要的外壁層，由脂多糖、磷脂、脂蛋白等構成。脂多糖（細胞壁最外面，厚度8-10nm）由類脂A、核心多糖、O-特異側鏈組成。

（2）G-中肽聚糖層在外膜層內，厚度僅有2-3nm，占細胞74肽聚糖外膜外膜蛋白周質空間肽聚糖外膜外膜蛋白周質空間75古生菌的多樣性課件講義76真細菌的細胞壁功能

⑴固定細胞外形和提高機械強度，從而使其免受滲透壓等外力的損傷。⑵為細胞的生長、分裂、鞭毛運動所必需。⑶阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質進入細胞，保護細胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等物質的損傷。⑷賦予細菌具有特定的抗原性、致病性以及對抗生素和噬菌體的敏感性。真細菌的細胞壁功能⑴固定細胞外形和提高機械強度，從而使其77古生菌的細胞壁古生菌中除了熱原體屬沒有細胞壁外，其余都具有與真細菌類似功能的細胞壁，但是其化學成分相差極大。一些研究過的古生菌表明，其細胞壁中沒有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白質構成的。古生菌的細胞壁古生菌中除了熱原體屬沒有細胞壁外，其余都具有與78多糖--假肽聚糖（以甲烷桿菌屬為例）是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔羅糖胺糖醛酸以β-1,3糖苷鍵（不被溶菌酶溶解）交替連接形成，連在后一氨基糖上的肽尾由L-Glu、L-Ala和L-Lys三個L型氨基酸組成，肽橋則由L-Glu一個氨基酸組成。糖蛋白（以鹽桿菌屬為例）包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白則由大量酸性氨基酸組成。這種帶強負電荷的細胞壁可平衡環(huán)境中高濃度的Na+，從而使其能很好的生活在20%-25%高鹽溶液中。古生菌的多樣性課件講義79近20年來古生菌的細胞脂膜越來越受到學術界的重視。研究發(fā)現雖然它本質上也是由磷脂組成，但是它比真細菌或真核生物的細胞脂膜更明顯的具有多樣性。獨特的細胞膜結構近20年來古生菌的細胞脂膜越來越受到學術界的重視。研究發(fā)現雖80親水頭（甘油）與疏水尾（烴鏈）間是通過醚鍵而不是通過脂鍵連接。組成疏水尾的長鏈烴是異戊二烯的重復單位，它與親水頭通過醚鍵連接成甘油二醚或二甘油四醚等。而在真細菌或真核生物中的疏水尾為脂肪酸古生菌的細胞脂膜中存在著獨特的單分子層膜或單雙分子層混合膜，而真細菌或真核生物的細胞脂膜都是雙分子層。單分子層膜存在于嗜高溫的古生菌中，其原因可能是這種膜的機械強度要比雙分子層脂膜更高。在甘油的3C分子上，可連接多種與真細菌和真核生物細胞脂膜上不同的基團，如磷酸脂基、硫酸脂基以及多種糖基。細胞脂膜上含有多種獨特脂類。親水頭（甘油）與疏水尾（烴鏈）間是通過醚鍵而不是通過脂鍵連接81其實在細胞結構和代謝上，古生菌在許多方面還是接近其他原核生物，然而在基因轉錄過程上，它并不明顯表現出細菌的特征，反而非常接近真核生物。比如古生菌的轉譯使用真核的啟動和延伸因子，且轉譯過程需要真核生物中的TATA框結合蛋白和TFIIB。因此將其作為獨立的分類單位。其實在細胞結構和代謝上，古生菌在許多方面還是接近其他原核生物82二、古生菌系統(tǒng)發(fā)育總觀直到20世紀70年代后，由于細胞化學組分分析和分子生物學方法的建立，特別是16SrRNA序列分析方法的不斷完善，才對產甲烷細菌、嗜熱細菌、嗜鹽細菌等極端環(huán)境微生物的研究逐步深入，人們終于對古生菌的系統(tǒng)發(fā)育有了了解和認識。并根據現代的生物鑒定方法——16SrRNA序列分析并結合其他生物學特征，古生菌為5個類群。

二、古生菌系統(tǒng)發(fā)育總觀直到20世紀70年代后，由于細胞化學組83古生菌的多樣性課件講義84三、古生菌的分類從rRNA進化樹上，古生菌分為兩類：廣古菌門(Euryarchaeota)泉古菌門(Crenarchaeota)另外未確定的兩類分別是：初古菌門(Korarchaeota)納古菌門(Nanoarchaeumequitans）三、古生菌的分類從rRNA進化樹上，古生菌分為兩類：85廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數種類，包括了經常能在動物腸道中發(fā)現的產甲烷菌、在極高鹽濃度下生活的鹽桿菌、一些超嗜熱的好氧和厭氧菌，也有海洋類群。在16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育樹上，它們組成一個單系群。廣古菌門(Euryarchaeota)包含了古菌中的大多數種86廣古菌門的主要類群1、產甲烷古生菌2、極端嗜鹽古生菌3、超嗜熱古生菌4、無細胞壁古生菌5、還原硫酸鹽古生菌廣古菌門的主要類群1、產甲烷古生菌871、產甲烷古生菌產甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴格厭氧的、能形成甲烷的化能自養(yǎng)或化能異養(yǎng)的古菌群。產甲烷細菌是都能產生甲烷的一大類群，因此包括了球形、桿形、螺旋形、長絲狀等不同形態(tài)。1、產甲烷古生菌產甲烷菌是一群迄今為止所知的最嚴格厭氧的、能88（1）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumthermoautotrophicum

0.2-1.0mmx1.2-120mmOptimumtemperaturerangesfrom35-70oCCellsstainGramnegative（1）嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌

Methanobacteriumt89（2）亨氏甲烷螺菌

Methanospirillumhungatei

（2）亨氏甲烷螺菌Methanospirillumhun90大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動物、人類和其它動物的腸道中,或是腐朽的植物,以及缺氧的廢水爛泥中。M.smithii是唯一一種生長在人類腸道的甲烷短桿菌(圖)。

（3）甲烷短桿菌屬

Methanobrevibacterspp.

大部分的甲烷短桿菌生長于反芻動物、人類和其它動物的腸道中,912、極端嗜鹽古生菌這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽環(huán)境中的古菌。AAUUAG序列是其標志，均為革蘭氏陰性菌。采用二分裂法進行繁殖，無休眠狀態(tài)，不產孢子，多數不運動，少數靠鞭毛運動。2、極端嗜鹽古生菌這是一類生活在很高濃度甚至接近飽和濃度鹽92（1）鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細胞桿狀(0.5～1.2μm×1.0～6.0μm)。運動。有些菌株具有氣泡囊。革蘭氏陰性，好氧，化能異養(yǎng)型。生活在鹽湖、鹽場及腐敗的鹽制品等中性鹽環(huán)境中。（1）鹽沼鹽桿菌Halobacteriumspp.細胞桿93Halobacteriumsp.

Halobacteriumsp.943、極端嗜熱古生菌UAACACCAG和CACCACAAG序列是其寡核苷酸標志。極端嗜熱或超嗜熱，生長要求的溫度范圍為45℃~110℃，最適為70℃~105℃，且要求pH為1~3的高酸度環(huán)境。有化能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和兼性營養(yǎng)三種不同的營養(yǎng)類型。大多能代謝元素硫，能在好氧條件下將硫或H2S氧化為H2SO4，在厭氧條件下可還原元素硫為H2S。主要分布于含硫溫泉、火山口、燃燒后的煤礦等環(huán)境。3、極端嗜熱古生菌UAACACCAG和CACCACAAG序列95硫化葉菌是第一個分離鑒定的極端嗜熱古細菌(Brock等，1970)，生長在富硫的酸熱泉中，溫度達90℃以上，pH1～1.5。硫化葉菌硫化葉菌是第一個分離鑒定的極端嗜熱古細菌(Brock等，1996AAAACUG和ACCCCA序列是遺傳標志。這是一類無細胞壁的原核生物，像無細胞壁的支原體。由于其無細胞壁、嗜熱、嗜酸、行好氧化能有機營養(yǎng)，所以被稱為熱源體（或熱原體，眾說不一）。長度0.2μm到1-5μm。有的種具有多根鞭毛，能夠運動。4、無細胞壁古生菌——熱原體屬AAAACUG和ACCCCA序列是遺傳標志。這是一類無細胞壁97熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端環(huán)境，是因為它們雖然沒有堅韌的細胞壁，但發(fā)育出一種帶有甘露糖和葡萄糖單位的四醚類脂(tetratherlipid)的脂多糖化合物，作為質膜的主要成分。同時，質膜中也含有糖肽，但沒有固醇類化合物，這樣的質膜使熱原體表現出對滲透壓、酸、熱的穩(wěn)定性。熱原體能抵御外界滲透壓的變化、對抗外環(huán)境的低pH值和高熱極端98目前已知的熱原體只有三個種：嗜酸熱原體(T.acidophilus)氧化硫熱原體(T.thiooxidans)火山熱原體(T.volcanium)

目前已知的熱原體只有三個種：995、還原硫酸鹽古生菌

這一類主要是指古生球菌（Archaeoglobales）的古生菌。細胞成不規(guī)則類球形、三角形等，直徑在0.4~2.0μm，單個或成對，革蘭氏陰性。菌落可略呈綠黑色，在420nm處可產藍綠色熒光，嚴格厭氧。具有糖蛋白的細胞壁，以H2、乳酸、葡萄糖作為電子供體，將硫酸鹽、亞硫酸鹽或硫代硫酸鹽還原成硫化物，元素硫不能接受電子，這種獨特的還原硫酸鹽的能力與其它的硫代謝的古生菌有所不同。棲息于海底熱水流火山口。5、還原硫酸鹽古生菌這一類主要是指古生球菌（Archaeo100閃爍古生球菌

A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地層深部儲油層?；茏责B(yǎng)，單極多生鞭毛，并產少量甲烷。閃爍古生球菌A.fulgidus分布于深海海底、熱泉和地101古生菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古生菌。很多產甲烷的古生菌存在于動物的消化道中，如反芻動物、白蟻或者人類。古生菌通常對其它生物無害，且未知有致病古生菌。古生菌的分布古生菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活102古生菌的形態(tài)和大小

單個古生菌細胞直徑在0.1到15微米之間，有一些種類形成細胞團簇或者纖維，長度可達200微米。它們可有各種形狀，如球形、桿形、螺旋形、葉狀或方形。它們具有多種代謝類型。古生菌的形態(tài)和大小單個古生菌細胞直徑在0.1到15微米之間103四、古生菌的培養(yǎng)Koch等建立的在實驗室人工條件下對微生物進行分離和純培養(yǎng)技術，100多年來一直是我們研究、認識各種微生物的基本手段。目前定種的僅有5000多種(有人認為還有超過99%的尚未被認識到)在目前的條件下不能或很難在實驗室進行人工培養(yǎng)，不可能得到其純培養(yǎng)物并對其進行形態(tài)、生理、遺傳等特性的研究。四、古生菌的培養(yǎng)Koch等建立的在實驗室人工條件下對微生物進104尤其是對于古細菌更是如此。在實驗室很難或不能模仿其生存的極端環(huán)境，這就使得對于古生菌的研究長期停留在一個低水平的模糊認識階段。不過由于科學技術的進步，研究手段的進一步提高，現在人們已經有可能在不進行培養(yǎng)的情況下研究微生物