古菌及极端微生物知识讲解共54页
古菌的基础生物学和进化研究
古菌的基础生物学和进化研究古菌是一类极端环境微生物，存在于各种极端条件下，如高温、高压、高盐、低温、低氧、低营养等环境中。
与细菌和真核生物相比，古菌的生物学特性更为复杂，其基因组结构、基因表达和代谢途径均具有与其他生物截然不同的特点。
因此，研究古菌的基础生物学和进化是理解生命起源和生命进化的重要途径之一。
一、古菌的基础生物学特征1、基因组结构古菌的基因组大小、复制方式和基因密度与细菌和真核生物差异较大。
与细菌相比，古菌的基因组大小较小，但基因密度更高，并且在染色质上存在较强的平行余缺特征。
与真核生物相比，古菌的基因组大小更小，但存在多倍体性和交叉互补的DNA修复机制。
2、转录和翻译机制古菌的转录机制与细菌较为相近，其中RNA聚合酶复合物具有更复杂的结构和更高的专一性。
与真核生物相比，古菌的转录后加工和调控机制更为简单。
与细菌和真核生物相比，古菌的翻译机制具有特殊的氨基酰RNA合成酶、转运RNA、核糖体和蛋白质质量控制系统。
3、代谢途径古菌的代谢途径与细菌和真核生物有很大的不同，且存在极端适应性和多样性。
其中包括纳米细菌利用CO2为唯一碳源生存、甲烷菌修复甲烷为棕色煤和烷基磷酸脂、硫化古菌利用化合物氧化为能量等。
二、古菌的进化研究古菌是生命进化的重要研究对象，其独特的生物学和生态学特征提供了解决生命起源和进化问题的重要线索。
近年来，研究者们通过分子进化学、基因组学和生态学等手段对古菌的进化历史和系统发育进行了深入探究。
1、古菌与生命起源的关系古菌是自然界种类最多、形态最为古老的生命形式之一，在生命起源和进化研究中具有重要的意义。
通过分析古菌和其他生物的系统演化关系，研究者们发现古菌与细胞核起源有关，且可能在所有生命起源中起到了重要的作用。
2、古菌的地域分布和适应性在地球早期的极端环境条件下，古菌具有适应性强的生物学和代谢特征，且分布广泛。
通过研究古菌的地域分布和适应性，可以更好地了解生命进化和生态演化的规律。
古细菌
广古菌门(Euryarchaeota)
包含了古菌中的大多数种类，包括了经常能 在动物肠道中发现的产甲烷菌、在极高盐浓 度下生活的盐杆菌、一些超嗜热的好氧和厌 氧菌，也有海洋类群。在16S rRNA系统发育 树上，它们组成一个单系群。
古菌域(Archaea)－广古菌门
盐杆菌纲(Halobacteria) 甲烷杆菌纲(Methanobacteria) 甲烷球菌纲(Methanococci) 甲烷微菌纲(Methanomicrobia) 甲烷火菌纲(Methanopyri) 古球状菌纲(Archaeoglobi) 热原体纲(Thermoplasmata) 热球菌纲(Thermococci)
产甲烷古菌可能是火星生命形式
一个美国科学家小组2005年12月5日报告说，他们 在格陵兰岛地下冰芯中发现了产甲烷古菌生存的证 据。科学家称，这种能在极端严酷条件下生存的微 生物有可能在火星上生存。
研究人员认为产甲烷古菌很可能存在于火星上，并 且是火星大气中甲烷的来源。为了验证这一设想他 们制造一台荧光探测仪，用来探测产甲烷古菌新陈 代谢时产生的微弱荧光，这台仪器能探测出每毫升 土壤或地层中存在的1个古菌，安装在新的火星车 上寻找火星生命。
1977年，C. R. Woese等人在用各种原核生物的16S rRNA进行分子进化研究时，发现一类能利用CO2和H2产
生甲烷的厌氧细菌（产甲烷菌Methanococcus）的rRNA
序列与一般细菌的十分不同，不同的程度比一般细菌的 rRNA序列与真核生物的rRNA序列的差异还要大。
原来被认为是细菌的甲烷球菌代表着一种既不同于真核生物, 也不同于细菌的生命形式。他们认为这是地球上的第三生命 形式,并命名为古细菌。进一步的研究确证了古细菌与真细 菌之间的重大差异，同时发现古细菌的一系列分子生物学和 细胞生物学特征与真核生物有不少相似之处。
极端微生物
2.4 嗜碱微生物
1、嗜碱微生物：最适生长pH在9以上的微生 物 。主要有巴氏芽孢杆菌、嗜碱芽孢杆菌 等。 专性嗜碱微生物 ： 中性条件不能生长 ； 耐碱微生物（碱营养 巴氏芽孢杆菌 微生物）：中性条件甚至酸性条件都能生长。
2、嗜碱微生物有两个主要的生理类群：盐嗜 碱微生物和非盐嗜碱微生物 。前者的生长 需要碱性和高盐度(达33% NaCl+ Na2CO3)。 代表性种属有：外硫红螺菌、甲烷嗜盐菌、 嗜盐碱杆菌、嗜盐碱球菌等。
二、微生物嗜酸的分子机理
• 环境中的H＋影响细胞表面的电荷平衡，影 响细胞的稳定性，与营养物反应使细胞无 法利用营养物质，还会使无毒化合物有毒， 水解细胞中的高分子多聚物，使细胞死亡。
嗜酸菌细胞质pH值为7，细胞内的大多酶最 适pH值也接近7，要求细胞壁或细胞膜能通 过某些方式阻止环境中H＋进入细胞
• 嗜盐微生物的应用 (1)利用菌体发酵，可生产离聚化合物。如聚 羟基丁酸(PHB)可用于可降解生物材料的开 发，又可生产食用蛋白添加剂、表面活性 剂等。 (2)嗜盐古菌和紫膜蛋白能通过构型的改变储 存信息，可作为生物计算机芯片的新材料。 (3)可用于高盐污水的处理。
2.6 嗜压微生物
• 在海洋深处以及深油井中，分布着一些嗜压微生物，它们 生存的环境中压力达一千多个大气压，在常压下它们却是 不能生存的。有人曾经在太平洋靠近菲律宾的10897米深 的海底分离到嗜压的细菌。还发现嗜压的酵母菌。需要高 压才能良好生长的微生物称为嗜压微生物。最适生长压力 为正常压力，但能耐受高压的微生物被称为耐压微生物。 嗜压微生物生长的生态环境:海洋深处和海底沉积物平均 水压超过4.05×107Pa(400个大气压)。
4、嗜碱微生物的机制 (1)钠钾离子质子泵反向运输是嗜碱菌细胞质碱化基 本原因，为了使其发挥作用，需要胞内有足够的 钠离子，钠离子的跨膜循环是必要的。 (2)相关嗜碱菌钠离子／氢离子反向运输的基因已经 从嗜碱菌Bacillus c—25中得到了克隆。 (3)细胞外被是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔， 它是嗜碱微生物嗜碱性的重要基础。 (4)嗜碱微生物可产生大量的碱性酶，为嗜碱微生物 的生存提供了条件。
古细菌名词解释
古细菌名词解释古细菌（Archaea）是一类单细胞微生物，广泛存在于各种环境中，包括极端环境如高温泉、高盐湖和酸碱性环境等。
它们的名称源自于希腊语中“古老”一词，因为它们是地球上最早出现的生命形式之一，可以追溯到数十亿年前。
古细菌具有细胞壁、细胞膜和质粒等基本细胞结构，但在细胞壁的化学成分和细胞膜中的脂质组成上，与真细菌和真核生物有所不同。
古细菌细胞壁主要由蛋白质构成，而非多糖，这使得它们对于抗生素等常用于治疗细菌感染的药物具有耐受性。
另外，古细菌的细胞膜中的脂质结构也与真细菌和真核生物不同，这使得它们能够适应极端环境下的高温、高压、高盐浓度和酸碱度等条件。
古细菌可以根据它们对氧气的需求分为两类：厌氧古细菌和光合古细菌。
厌氧古细菌不能以氧气作为电子供体，它们通过其他可供氧的化合物如硫酸盐、甲烷和氢来产生能量。
光合古细菌则利用阳光作为能量来源进行光合作用，类似于植物中的光合作用。
古细菌在地球上的分布非常广泛，它们可以存在于极端环境中，如深海热液喷口、沸泉、温泉、盐湖和冰川等。
其中，一些极端嗜热古细菌（thermophile）可以在高温环境中生存，最适生长温度可达80至110摄氏度。
高温嗜盐古细菌（thermoacidophile）则可以在高温和酸碱度极端的环境中生存。
古细菌对于地球上的生态系统具有重要的作用。
它们参与了地球上一部分碳循环和氮循环，同时还起到了分解有机物质、产生气体和维持深海生态系统稳定性等重要功能。
此外，古细菌还具有许多具有潜在价值的应用，如生物技术、环境修复和制药等领域。
总的来说，古细菌是一类具有特殊生理适应性和生态功能的微生物，它们生存在极端环境中，对地球生态系统和人类利益都具有重要影响。
研究古细菌可以帮助我们更好地理解地球生命的起源、演化和适应性，同时也有助于开发出更多有益的应用。
古菌
图 1.30 古菌的系统发育树( Madigan et al., 2000)二、产甲烷古细菌群产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。
（一）、产甲烷细菌的形态与细胞结构产甲烷细菌是一大都能产生甲烷的生理类群，因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态，见图1.31 。
产甲烷细菌的细胞壁染色后有围绕细胞约有15nm-20nm 厚的一层无定形电子稠密层。
在化学组成上含有假胞壁质。
假胞壁质与细菌的胞壁质在化学结构上有区别：假胞壁质肽链上为L- 氨基酸，糖链上为N- 乙酰-L- 塔罗糖胺糖醛酸，而且连接此N- 乙酰-L- 塔罗糖胺糖醛酸和N- 乙酰-D- 葡萄糖胺的糖苷键主要为β1，3）糖苷键，少部分为β1，4）糖苷键。
细菌胞壁质肽链上为D- 氨基酸，糖链上为N- 乙酰胞壁酸，连接的糖苷键与产甲烷细菌的相同。
产甲烷细菌无细菌细胞壁胞壁质特征而富含各种表层蛋白。
产甲烷细菌的外膜可分为5 种类型：①固定结构层+ 细胞质膜；②亚甲基软骨素层+ S 层+ 细胞质膜；③固定结构层+ 假胞壁质+ 细胞质膜；④鞘+S 层+ 细胞质膜和⑤假胞壁质+ 细胞质膜。
嗜热自养甲烷杆菌（Methanobacterium thermoautotrophicum ）和布氏甲烷短杆菌（Mb. bryantii ）的细胞壁为均匀的单层，厚度为10nm ~18nm 。
史氏甲烷短杆菌（Methanobrevibacter smithii ）细胞壁具有 2 个电子致密层和1 个电子透明的中层。
瘤胃甲烷短杆菌细胞壁由电子致密层的内层，电子透明层的中层和粗糙不规则形的外层构成，索氏甲烷丝菌细胞壁由电子密度较高并与质膜相邻的内层和电子密度较低的外层构成。
亨氏甲烷螺菌（Methanospirillum hungatii ）有内壁和外壁之分，外壁在菌丝体处连续成鞘状，不重叠凹陷，内壁仅围绕丝状体中的各个细胞，细胞横隔处只见外壁。
古菌优质课件专业知识讲座
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其他形状的细菌
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革兰氏染色法（Gram，G染色法）
紫色：G阳性（G+） 红色：G阴性（G --） 染色结果与细胞壁结构有关
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2.1.2 细菌细胞的结构
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一般构造：
特殊构造：
细胞壁 细胞膜 细胞质 核区 内含物
结构：流动镶嵌模型
组分：蛋白质（50%-70%）、脂类（20%-30%）、少量糖类
功能： 选择性吸收养料、转运废物等物质交换作用； 维持细胞正常的渗透压； 呼吸作用的场所，电子传递和磷酸化作用； 排出水溶性胞外酶，实现大分子的胞外水解； 生物合成作用，细胞壁和荚膜的合成场所； 鞭毛的着生和生长点。
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3.1 古菌的特点与分类
古菌的形态-概述说明以及解释
古菌的形态-概述说明以及解释1.引言1.1 概述古菌（Archaea）是一类广泛存在于地球上的微生物，其独特的形态和生态特征引起了科学界的广泛关注。
与细菌和真核生物不同，古菌形态多样，常常具有一些特殊的形态结构。
古菌最初被认为是细菌的一类，但随着对古菌的深入研究，人们逐渐认识到了古菌与细菌和真核生物的差异。
在形态上，古菌与细菌有相似之处，但也有许多独特的形态特征。
古菌的细胞壁通常由多聚糖和蛋白质复合物组成，这与细菌和真核生物的细胞壁组成不同。
古菌的形态结构包括球形（球菌）、杆状、盘状、螺旋状等多种形态，而且古菌在形态上的变化还可能随着环境的变化而发生。
古菌的形态多样性与其生活环境密切相关。
古菌广泛存在于各种极端环境中，如高温泉水、盐湖、沼泽等，这些环境对古菌的生长和繁殖提出了极高的要求，也促使了古菌形态的多样性产生。
例如，一些生活在高温环境中的古菌具有耐热的特点，它们通常具有球形或杆状的形态，以减少热量的散失。
而一些生活在酸性环境或高盐浓度环境中的古菌，则可能具有不同于前述的其他形态。
古菌的形态对其生存与适应具有重要意义。
形态特征可以帮助古菌适应不同的环境条件，比如通过控制细胞壁的渗透性、调节细胞内外物质的交换等方式来维持生命活动。
此外，古菌的形态还可能与其功能和生物学特性密切相关，如一些球形古菌常常形成聚集体，从而形成一定的社会行为。
因此，对古菌形态的深入研究不仅有助于加深对古菌生物学特性的理解，还可能为科学家们提供新的研究方向和思路。
总之，古菌的形态多样且与环境密切相关。
对古菌形态特征的研究有助于揭示其适应极端环境的机制，进一步深化对古菌生物学特性的认识。
在未来的研究中，我们有望通过深入挖掘古菌形态与其生活环境、生理功能的关系，为我们理解生命的多样性和适应能力提供更多的启示。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：正文部分包括古菌的基本特征和生活环境介绍。
在2.1节中，我们将介绍古菌的基本特征，包括其细胞结构、细胞壁组成、染色体特征等。
古菌及极端微生物
引言：古菌及极端微生物是一类独特的微生物，在极端环境下生存和繁殖。
它们在地球上存在的时间非常长，在生物多样性和生态系统功能中起着重要的作用。
本文将继续探讨古菌及极端微生物的特点、分布、适应机制和应用前景。
概述：古菌是一类与真菌和细菌有着显著的差异的生物群体，其细胞结构和组成都与真核生物类似。
而极端微生物则广泛存在于地球上各种极端环境中，如高温、高压、酸碱度极端等。
它们表现出了适应这些恶劣条件的独特特性，对于我们研究生物学和地球科学都有着重要的意义。
正文：一、古菌和极端微生物的特点1.古菌的细胞结构a.古菌细胞壁的组成和特点b.古菌细胞膜的特殊性质c.古菌细胞核的结构和功能d.古菌细胞质的特征2.极端微生物的生态学特点a.极端温度下的微生物b.高盐度环境中的微生物c.高压环境下的微生物d.酸碱度极端条件下的微生物二、古菌和极端微生物的分布1.古菌在地球上的分布情况a.古菌的发现历史b.古菌在极端环境中的分布c.古菌在非极端环境中的分布2.极端微生物的地理分布a.极端温度下的分布情况b.高盐度环境中的分布情况c.高压环境下的分布情况d.酸碱度极端条件下的分布情况三、古菌和极端微生物的适应机制1.古菌的热稳定酶及其他适应机制a.热稳定酶的特点和功能b.其他适应极端温度的机制2.极端微生物的适应机制a.高盐度环境下的适应机制b.高压环境下的适应机制c.酸碱度极端条件下的适应机制四、古菌和极端微生物的应用前景1.生物技术领域的应用a.古菌在酶工程中的应用b.极端微生物的生物催化剂应用2.能源开发利用的应用a.古菌在生物燃料领域的应用b.极端微生物在地热能开发利用中的应用五、总结：古菌及极端微生物作为一类特殊的微生物群体，具有独特的细胞结构、生态学特点和适应机制。
它们的分布广泛，发挥着重要的生态学和生物技术应用价值。
因此，进一步研究古菌及极端微生物的特性和机制，不仅可以加深我们对生命的认识，还能为生物技术的发展和环境资源的利用提供新的思路和方法。
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古菌及极端微生物知识讲解
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