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耐輻射熱球菌 (Thermococcus gammatolerans) -- 一種鞭毛古菌，在炎熱、缺氧的水域中茁壯成長。請注意鞭毛簇。這種微生物生活在溫度高於約 160 華氏度的水中。知識共享署名 Angels Tapias。點選圖片檢視許可證和連結。
在 20 世紀 70 年代，一位默默無聞的科學家卡爾·沃斯（Carl Woese，發音為“沃茲”）正在研究一項看似相當平凡的任務：尋找一種對細菌進行分類的方法。
儘管這似乎是一項簡單的任務，但細菌頑固地抵抗了之前的所有嘗試。傳統方法——觀察外觀、結構和代謝的差異並進行大致判斷——已經失敗。無論細菌的真實進化關係如何，它們的外觀和行為通常都非常相似。
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微生物學界的偉人們很久以前就放棄了這個問題。但沃斯有一個想法：如果可以透過使用細菌的遺傳物質（以構成核糖體的 RNA 形式表達）來對細菌進行科學分類，會怎麼樣呢？核糖體是細胞的蛋白質生產單位。鑑於核糖體對於維持細胞存活至關重要，大多數核糖體 RNA 突變對於繼承它們的後代來說是災難性的，因此核糖體 RNA 的變化很少發生。但是，在地球上微生物生命存在的數十億年中，它們確實會發生，這使得該分子成為判斷延伸到遙遠時間的關係的有希望的目標。
經過大約十年的艱苦工作，將核糖體 RNA 切割成小片段，並盯著夾在燈箱上的照片膠片上這些分類好的片段——無數小時的枯燥乏味，靠著胡椒博士和在單槓上的鍛鍊來支撐——沃斯很快就要完成細菌家譜的繪製了。
然後，意想不到的事情發生了。一位名叫拉爾夫·沃爾夫 (Ralph Wolfe) 的同事建議他對一組不尋常的、產生甲烷的細菌嘗試他的方法。儘管它們呈義大利麵般的各種形狀，但它們的生物化學和代謝似乎相似。弗吉尼亞·莫雷爾 (Virginia Morell) 1997 年在《科學》雜誌上發表的文章中的這段摘錄捕捉到了接下來發生的事情的震驚
但是，當沃斯研究它們的序列時，產甲烷菌並沒有被歸類為細菌。“它們完全缺少我過去認為細菌特有的寡核苷酸序列，”他解釋道。他認為樣本可能受到了某種汙染，於是又運行了一個新的樣本。“就在那時，卡爾搖著頭走下大廳，”沃爾夫說。“他告訴我，‘沃爾夫，這些東西甚至都不是細菌。’我說，‘現在，冷靜點，卡爾；別激動。當然，它們是細菌；它們看起來像細菌。’”但是，正如沃斯現在所知，細菌的形態學毫無意義。只有它們的分子才能說明問題。而分子宣告，產甲烷菌不像任何其他原核生物或真核生物——它們是獨立存在的，是生命的第三個分支。
“沃爾夫，這些東西甚至都不是細菌。” 當我讀到這句話時，我感到脊背發涼。地球上只有極少數人能夠體驗到如此重大的揭示真相的時刻——愛因斯坦、牛頓、開普勒等等浮現在腦海——但謙遜的卡爾·沃斯是另一位。他偶然發現了一個微生物的新世界，在我們看來它們像細菌，但實際上它們在生物化學和物理上都非常獨特，以至於最終被證明與我們的關係比與它們的關係更密切。他偶然發現了一種全新的生命形式，就在地球上。
卡爾·沃斯於 12 月 30 日去世。沃斯仍然鮮為人知，即使在非微生物生物學家中也是如此，尤其是在公眾中。在他的觀察結果被接受之前，他忍受了十年或更長時間的懷疑、嘲笑和排斥，並且對最初的反應深感痛苦；您可以在我上面摘錄的《科學》專題報道（需要付費訪問）中閱讀更多相關內容。近年來，一些人——包括《自然評論-微生物學》編輯委員會——推動沃斯因其貢獻而獲得諾貝爾獎。現在，這永遠不會發生了*。
但沃斯並不是這個故事中唯一默默無聞的英雄**。他揭示的生物——古菌——是迷人且豐富的生物，但即使在微生物學課程的範圍內也幾乎沒有被深入討論過。這很遺憾。古菌無處不在——在深海熱泉、鹽灘、冰川、海水中、土壤中，甚至在你體內。它們應該得到更好的宣傳。
考慮以下關於第三域的有趣要點
古菌以類似於我們的方式製造 DNA 和 RNA——這意味著一件有趣的事情
在許多方面，古菌看起來更像我們而不是細菌——但你必須仔細觀察才能看到。“我們”指的是真核生物，即將其 DNA 容納在稱為細胞核的包膜中的生命形式（以及許多其他特徵）。該群體幾乎包括除古菌和細菌之外的所有生物。
古菌擁有 DNA 和 RNA 聚合酶——複製 DNA 和 RNA 的酶——它們看起來像是真核生物中發現的酶的簡化版本。並且它們的單個環狀染色體可以有多個複製起點，這與真核生物類似，但與細菌不同。
為了濃縮它們的 DNA 以使其能夠裝入細胞內，細菌使用一種叫做旋轉酶的蛋白質將它們的 DNA 擰成線圈。古菌也這樣做，但它們還將它們的 DNA 纏繞在稱為組蛋白的蛋白質周圍，這些組蛋白再次看起來像是真核生物纏繞其 DNA 的組蛋白的簡化版本。據我所知，細菌不具有組蛋白。
古菌細胞和真核細胞之間這些引人注目的相似之處——在生物化學細節中還有更多，為了節省空間我省略了——導致一些人提出除了產生線粒體和葉綠體的細菌吞噬/共生之外，古代古菌和細菌之間可能還發生了一些更神秘的共生或嵌合現象，從而產生了第一個原始真核細胞。或者，這可能表明真核生物實際上起源於古菌。這是一個備受爭議的想法，您將在下面看到進一步的證據。
古菌的外部塗層與地球上任何其他物質都不同
細菌和真核生物的膜脂質具有相同的基本結構（下圖從上往下數第二個分子）：一個磷酸基團（綠色）連線到一個甘油（紅色），形成脂質的頭部，而兩條脂肪酸形成尾部（粉紅色）。此外，像細菌一樣，我們的脂質的甘油頭部透過酯鍵（黃色）連線到它們的脂肪酸尾部。
古菌膜脂質看起來與細菌和真核生物都非常非常不同（上圖頂部分子）。古菌的尾部由支鏈化學物質異戊二烯單元而不是脂肪酸構成，它們的 20 個碳的尾部被稱為植基（我提名植基為本週母音高效詞）。這些脂質尾部可以比上圖所示的方式更復雜地分支，甚至可以包含環（見下文）——據我所知，細菌和真核生物膜脂質永遠不會呈現的瘋狂形狀。
它們的植基尾部主要使用醚鍵而不是酯鍵（見上文第 2 點）連線到它們的甘油，這比酯更能抵抗破壞。並且它們的甘油與我們膜脂質中的甘油具有相反的手性（注意圖中細菌和古菌脂質的映象方向）。
分子手性——用化學術語來說就是手性——不是進化容易改變的東西。例如，地球上生命使用的大多數稱為氨基酸的蛋白質構建模組都是完全“左手性”的。為什麼？沒有人真正知道，儘管有些人猜測。但是，一旦左旋氨基酸佔據主導地位，生物化學上就無法回頭了——酶以某種方式建立起來，就是這樣了。因此，古菌和細菌酶使用具有相反手性的甘油意味著細菌和古菌在很久很久以前就分道揚鑣了。
一些古菌脂質具有在細菌或真核生物中很少或從未見過的特性。細菌和真核生物具有由相互流動的脂質雙層組成的膜（#9）。但是古菌植基尾部可以彼此共價鍵合，形成脂質單層（參見 #10 和上面的泉古菌醇影像）。兩個頭；一個身體——膜九頭蛇。
支鏈和網狀植基尾部以及脂質單層似乎都是對高溫的適應。它們可能有助於防止膜洩漏或雙層膜在嗜熱古菌生活的水狀且通常呈酸性的地獄中剝離。
您可能還會觀察到，與我們的大多數遺傳和蛋白質製造機制不同，我們的脂質更像細菌而不是古菌。這是否也是古代嵌合現象的證據？
古菌寄生蟲和病原體的神秘缺失
從未發現過明顯的寄生性或致病性古菌。但這並不是說它們不存在。古菌在我們發現它們之前就已存在，現在我們看到它們無處不在。稍後會詳細介紹。
但這是一個值得思考的點（一個類似《小事一樁》的塔木德式問題？）：為什麼該域中似乎沒有明顯的寄生蟲或病原體？細菌和真核生物已經產生了無數令人討厭的寄生蟲，從梅毒到臭蟲，再到槲寄生，再到奈及利亞 Craigslist 詐騙犯，對我來說，整個域都應該沒有它們，這似乎非常奇怪。
古菌的化學性質如此獨特，以至於它們不適合生活在更高等的生物體內嗎？不，情況似乎並非如此，我們將在下面看到。那麼，為什麼它們從未墮落到黑暗面呢？是它們的代謝或化學性質的某些根本原因嗎？
我們發現的最接近潛在致病性或寄生性古菌的是棲熱古生菌，世界上最小的細胞之一。它被發現在世界各地的熱液噴口中，從大陸的頂部——如黃石公園的黑曜石池——到海洋的深處——如冰島附近的中洋脊和北冰洋下，這種分佈本身就值得思考它所暗示的意義。
無論在哪裡發現它，它都只生活在一種更大的古菌火球菌屬的表面。多達 10 個棲熱古生菌可以覆蓋單個火球菌屬的表面。棲熱古生菌不能合成脂質、大多數核苷酸（DNA 和 RNA 的構建模組）或氨基酸。它必須從火球菌屬中獲取它們（偷竊它們？交換它們？）。
但與其他微生物寄生蟲不同，棲熱古生菌確實擁有修復自身 DNA 以及進行 DNA、RNA 和蛋白質合成所需的一切。儘管它顯然離不開火球菌屬，但它是共生體還是寄生蟲仍不清楚。
這種明顯有害物質的缺乏也並不意味著古菌*沒有*寄生蟲或病原體。相反，很多東西都會消耗古菌，並且古菌寄生著各種形狀獨特的（紡錘形、甘蔗形和淚滴形）DNA 病毒，這些病毒在可以滋生古菌的同樣惡劣的環境中茁壯成長。
這是一株來自中國溫泉的名為硫化葉菌屬的古菌，攜帶著幾種紡錘形 DNA 病毒
古菌病原體的奇怪缺失也可能導致沃斯難以獲得諾貝爾獎。這不是諾貝爾生物學獎；而是諾貝爾生理學或醫學獎。並且在沒有任何明顯的古菌疾病的情況下，他獲得該獎項的理由必然是間接的。
古菌無處不在
當古菌向世界揭開面紗時，多年來它們一直被認為是極端微生物怪胎。它們生活在鹽灘、熱液噴口、熱酸性池塘和甲烷汙染的沼澤等地方。它們不像，你知道的，正常微生物。
在許多情況下，這是真的，而且是以令人驚訝的奇妙方式。我們發現了方形扁平古菌，它們像郵票一樣分成片狀，生活在鹽田中。它們使用稱為（顯然是錯誤地）細菌視紫紅質的蛋白質，這些蛋白質在結構和功能上與脊椎動物眼睛蛋白質視紫紅質相似（儘管是完全獨立進化的），以從光中獲取能量。除了正方形外，這些喜鹽古菌的其他物種還具有多種多面體形狀，有時會在世代之間改變形狀。
還有菌株 121，它因不僅能在 121 攝氏度（實驗室和醫療滅菌裝置的殺菌溫度）下生存，還能在該溫度下繁殖而得名。在其被發現之前，人們認為沒有任何細胞能夠在 121 攝氏度的高壓滅菌器保持溫度環中存活 15 分鐘。菌株 121 可以在高達 130 攝氏度的溫度下存活，實驗表明可能存在可以耐受 140 至 150 攝氏度溫度的古菌物種。別忘了，水在 100 攝氏度時沸騰。
但是古菌很難在實驗室中培養（就像絕大多數微生物一樣）。如果那裡有更多的古菌，再次隱藏在顯眼的地方，會怎麼樣呢？
當我們開始尋找古菌 DNA 而不是擔心找到實體時，我們發現這些微生物幾乎無處不在。這包括“正常”的地方，如海水和海洋沉積物、土壤以及哺乳動物的腸道和陰道。它們可能佔公海微生物生物量的 40%（細菌的數量仍然是它們的 3 倍左右），並且可能佔地球總生物量的 20%。儘管古菌以喜熱而聞名，但它們也出現在非常寒冷的地方，如北極海水和冰川。
令我們驚訝的是，我們發現了超大絲狀古菌，它們足夠大，幾乎可以用肉眼看到，生活在紅樹林根部。我們發現了產甲烷古菌，它們與牛和白蟻腸道中的原生動物相互作用，以幫助這些生物分解纖維素以獲取能量。我們甚至發現了一種與海綿共生的古菌——真是出乎意料。
毫無疑問，一旦我們開始將微生物與其 DNA 序列進行匹配，就會出現更多奇怪而奇妙的生物——只要我們願意去尋找。
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*諾貝爾獎不追授，儘管去年在一個引人注目的案例中他們破例了。
**在卡爾·沃斯致敬部門，我向馬克·O·馬丁的這位學生致敬，他在萬聖節時打扮成穿著法蘭絨和蓬鬆白髮的沃斯。（請注意他手中的三域樹）。來源：馬丁對沃斯的精彩致敬。
本著同樣充滿愛意的樂趣精神，我撰寫了這篇文章。我們會想念您，並感謝您，卡爾。