古細菌
古細菌 または アーキア(archaea、アルカエア、単数形: archaeum、archaeon)は、生物の主要な系統の一つである。細菌(バクテリア)、真核生物(ユーカリオタ)と共に全生物界を3分している。古細菌は形態や名称こそ細菌と類似するが、細菌とは異なる系統である。高度好塩菌、メタン菌、好熱菌などが良く知られている。
日本語では「古細菌」または「アーキア」が呼称されることが多い。「始原菌」も使われる。「古細菌」という名称は、「菌」および「細菌」を名前に含むが、菌類(真菌)や細菌(真正細菌)とは異なる。
地球上の全ての生物は、細菌、古細菌、真核生物の3つのドメインのいずれかに分類される。細菌と古細菌は合わせて原核生物とも呼ばれ、真核生物と対比される。ドメインによる分類は、リボソームRNA配列などを用いた分子系統解析を基にしており、ドメイン内では基本的な遺伝の仕組みや生化学的性質に共通性が見られる。例えば、植物と動物は見た目は大きく異なるが、細胞レベルで見るとDNA複製のメカニズムや細胞膜の主成分などは共通性が高い。ドメインが異なる生物同士は、分子レベルでこれら生命を維持する機構が異なっている(古細菌#他ドメインとの違いを参照)。
初期の地球上には古細菌と細菌の2ドメインしか存在せず、真核生物は古細菌(特にアスガルド古細菌)から遅れて進化したとする説が現在有力である(古細菌#古細菌の起源と系統的位置を参照)。古細菌と細菌では、細胞膜や細胞壁の構成、DNA複製機構など様々な点で相違がある(古細菌#細胞の形態・構造などを参照)。
古細菌ドメインは、ユーリ古細菌、TACK群(クレン古細菌、タウム古細菌など)、アスガルド古細菌、DPANN群に大きく分けられている。タウム古細菌以外はヒトから見れば極端な環境に生息しており、極限環境微生物とも呼ばれる(古細菌#生息環境を参照)。ヒトに身近なのは腸内常在微生物叢の一部を占め、嫌気性の沼などにもいるメタン菌や、窒素循環に関連する亜硝酸古細菌程度(タウム古細菌に含まれる)である。これ以外にも様々な生物が含まれるとみられるが、多くは未培養であり、古細菌の全容は解明されていない。2018年時点で正式に記載されている古細菌は約550種である。
古細菌は生物圏の広い範囲に分布し、最大で地球上の総バイオマスの20%を占めるとも言われている。純粋培養が可能な古細菌の多くは、間欠泉やブラックスモーカー、油田、塩田、塩湖、強酸、強アルカリ環境などのヒトから見て極限環境に生息するものがほとんどであり、このため歴史的に極端な環境のみに分布すると考えられてきた(極限環境微生物)。実際、20世紀末まで通常の土壌・水系から古細菌が分離されることは、一部のメタン菌を除き殆ど無かった。これらの極限的な環境に生息する古細菌は、大まかに高度好塩菌、超好熱菌、好熱好酸菌へと区分することができる。高度好塩菌は、20-25%のNaCl濃度で盛んに増殖し、塩湖など非常に塩濃度の高い環境に生息する。アフリカや中国の塩湖の中にはpHが10を超えるものもあり、このような環境からは、好アルカリ性高度好塩菌が分離されている。有名なものとして、pH12で増殖できる高度好塩菌Natronobacterium gregoryiがある。高度好塩菌は特別な培養装置を必要とせず、基本的には培地に塩を加えるだけで良いので、2018年現在記載種は250種近くに達している(これは古細菌ドメインに記載されている種の半数に近いが、古細菌の半分が好塩菌ということではなく、単に培養の容易さを反映している)。
好熱菌は温泉など45℃以上の環境でよく活動するものをいう。このうち80℃以上に至適生育温度を持つものを超好熱菌と呼ぶ。Methanopyrus kandleri Strain 116は、全生物中最も高温で生育する生物として知られ、122℃で増殖が可能と報告された。このほかPyrococcus、Pyrodictiumなどがあり、温泉や陸上硫黄孔、火山、海底熱水噴出孔などの多様な熱水系に生息する。嫌気性のものが多いが、偏性好気性の超好熱菌もAeropyrum pernix、Sulfurisphaera tokodaiiなど幾つかいる(後者は好酸性も兼ねる)。
硫黄分を含む熱泉では、硫黄が酸化されてしばしば強い酸性になる。強酸を好む好熱好酸菌は、スルフォロブス目やテルモプラズマ目に代表され、温泉や硫気孔、ボタ山などから発見される。初期に発見されたものとしてはSulfolobusやThermoplasmaなどがある。好酸菌の極端な例としては、pH-0.06(1.2M硫酸溶液下に相当)で増殖する好熱好酸菌Picrophilusがいる。Stygiolobus azoricusを除き、大半が偏性好気性か通性嫌気性である。
また、超好熱菌、好熱好酸菌などの菌群は表現型による区分であり、系統による分類と一致するとは限らない。高度好塩菌はハロバクテリウム綱、好熱好酸菌はテルモプラズマ目及びスルフォロブス目にほぼ一致するが、超好熱菌は古細菌ドメインの広い分類範囲に存在し、むしろ超好熱菌のいない目の方が少数派である。また、場合によっては複数条件で極限環境微生物と言えるものもあり、Methanonatronarchaeum thermophilumなどは、好熱性・好アルカリ性かつ強い好塩性のメタン菌である。そのほかにも、超好熱かつ好酸性のSulfurisphaera ohwakuensis(限界温度92℃、限界pH1)、超好熱かつ好アルカリ性のThermococcus alkaliphilus(限界温度90℃、限界pH10.5)などがある。
各生育・生存パラメータにおける代表種と限界値は以下のとおりである
高温:Methanopyrus kandleri 122℃
アルカリ性:Natronobacterium gregoryi pH12
酸性:Picrophilus oshimae pH-0.06(マイナス0.06)
高NaCl濃度:Halobacterium salinarumなど 飽和濃度
高圧力:Pyrococcus yayanosii 1200気圧
放射線:Thermococcus gammatolerans 30000グレイのガンマ線を照射しても一部は生き残る(Cs137線源)
なお、極限環境微生物と古細菌はしばしば同義として使われることがあるが、すべての古細菌が極限環境微生物というわけではなく、同様にすべての極限環境微生物が古細菌というわけではない。極限環境で生育する細菌も多数存在しており、少数ではあるが超好熱性の細菌も知られている。とはいえ、やはり細菌は医療細菌や常在細菌の存在感が大きく、古細菌ほどは極限環境微生物の割合は多くない。
記載されている嫌気性の古細菌は、偏性嫌気性が約260種、通性嫌気性が約10種となっている。なお、偏性好気性の古細菌は約270種で、記載種に関しては約半分が好気性、半分が嫌気性ということになる。嫌気性の古細菌で代表的なものはメタン菌である。約160種が記載されている。これは代謝の結果メタンを生成する微生物の総称であるが、このような代謝を行う生物は古細菌以外に知られていない。強い嫌気度を要求し、水素や酢酸などを代謝する為、それらが豊富な環境に分布する。例えば海底熱水噴出孔などでは、付近に生息する微生物によって水素が発生しており、それらを餌にメタン菌が大量に存在している。これらは同時に超好熱性も備えている。これら超好熱菌は、偏性好気性のAeropyrum、Sulfolobus、Sulfurococcus、通性嫌気性のAcidianus、Pyrolobus、Pyrobaculum aerophilumを除いて大半が偏性嫌気性であり、Methanopyrus kandleri、Methanocaldococcus jannaschii、Methanothermus fervidusなどがある。
水田や湖沼、海洋堆積物の中も微生物の働きによって酸素が消費され、水素や有機酸・アルコールなどが発生しており、それらをメタン菌が消費している。海洋ではメタノコックス綱、淡水系ではメタノバクテリウム綱やメタノミクロビウム綱が主にみられる。動物の消化器官や発酵槽などでもメタノバクテリウム綱やメタノミクロビウム綱が生息している。メタン発酵槽には好熱性のものやMethanosaetaが多い。
メタン菌はかなり広い範囲に分布しており、メタン菌そのものは極限環境微生物に含めないことが多い。ただし、増殖には酸化還元電位にして-0.33Vの非常に強い嫌気環境が必要である。メタン菌以外では、冷湧水帯堆積物や海洋堆積物に、未培養系統であるが、ANME I-IIIと呼ばれる嫌気的メタン酸化菌が存在する。この他にも、膨大な数の古細菌が海底の堆積物の中から見つかっている。2008年には、海底1m以深の沈澱物中に存在する生物の大部分を古細菌が占めるという報告がなされた。これらは殆ど培養されておらず、不明な点が多い。
現在では、極限環境や嫌気環境だけでなく、より温和な環境にも(メタン菌以外の)古細菌が存在することが知られている。例えば極地の海、湖などの冷たい環境において古細菌の遺伝子が高頻度で検出されている。一般的な海洋においても、細胞数当たりで微生物の約20%を古細菌が占めるという。湿原や下水、海洋、土壌などにも古細菌は存在する。これらの古細菌の多くは、メタゲノム、脂質解析といった手法によりその生態が明らかにされつつある。
特にタウム古細菌は、2000年以降急速に研究が進展したグループである。2005年に初めてNitrosopumilus martimus純粋培養に成功し、2014年にはNitrososphaera viennensisが記載された(2018年度の記載種の数は6種)。分離源は水族館のフィルターや海水、畑の土といった"通常の"環境で、生育温度も25~42℃と低く、pH、塩濃度といった他の生育パラメータも極端な数字ではない。タウム古細菌以外の系統は培養に成功していないが、環境DNAサンプルとして多数存在し、代表的なものとして海洋の有光層に多いMarine group IIと呼ばれるグループが知られている。
古細菌の外観は細菌と似ている。0.5から数マイクロメートル程度の大きさを有し、球菌、桿菌またはディスク状など様々な形が見られる。大きさは最大の球菌で直径10数μm程度である。珍しい形として、Haloquadratum walsbyiは、極薄の四角形の紙片状、高度好塩菌には他に三角菌(Haloarcula japonica )もいる。
Thermofilum pendensは極細の針状(最大長~100μm)、ThermoplasmaやFerroplasmaは、強固な細胞壁を持たないために、一部の種は定まった形を持たず、アメーバのような形になることもできる。また複数の細胞が集合して大規模な融合細胞を形成するものも存在する。この例としてはThermococcus coalescensが知られている。
古細菌は原核生物であるため、通常細胞内の膜系を発達させず、細胞内の目立つ構造物と言えばDNAとリボソーム、ガス泡、PHBの顆粒くらいである。これらを含む細胞質を細胞膜がつつみ、その外側を細胞壁が覆う。一般に細胞壁は細菌よりも薄く、機械的強度も弱い。細胞表面には、鞭毛や線毛、繊維状の付属構造を持つ場合がある。なお、細胞内の膜系に関しては、ThermoplasmaやIgnicoccusといった例外も存在する。Ignicoccusは、外細胞膜と内細胞膜、その間の巨大な疑似ペリプラズムに特徴づけられる。外側の膜にATP合成酵素があり、疑似ペリプラズムにおいてもATPが利用可能な点で、グラム陰性細菌と異なる。内部はフィラメントや網構造が非常に入り組んで観察される。
細胞よりも高次の構造も乏しく、殆どの種は単独か原始的な群体を持つに過ぎない。Methanosarcinaは接着物質を使用し、小荷物様の群体を形成する。他のメタン菌の中には、シースと呼ばれる鞘の中に複数の細胞が鎖のようにつながった形態をとるものがある。シート形成や網目状のネットワークを形成するものもある。何れにせよその形態の多様性は限定されており、形態により古細菌を特徴づけるのは困難である。古細菌を特徴付けているのは、ほとんどが分子生物学的知見による。
古細菌の細胞壁は一般的にタンパク質性のS層である。S層は多くの細菌にも認められるが、細菌と異なりペプチドグリカンを持たず、S層そのものが細胞壁になっているという点で異なる。古細菌のS層は熱に対して極めて安定だが、細菌の細胞壁と異なり浸透圧変化に脆弱で機械的強度も弱いものが多い。メタノバクテリウム綱は、シュードムレインと呼ばれる糖ペプチドを持つ。これはペプチドグリカンの一種ではあるが、ムラミン酸やdアミノ酸を欠くという点で細菌の細胞壁と区別できる。Methanopyrus kandleri、Methanothermusは、シュードムレインの外側に更にS層がある。S層もシュードムレインも、その合成系の違いから、細菌の細胞壁合成を阻害するβ-ラクタム系抗生物質、グリコペプチド系抗生物質は効果が無い。一般的な傾向として、グラム染色ではS層が陰性に、シュードムレインが陽性に染色される。
その他の細胞表層構造としては、シース(Methanospirillus、Methanosaeta)、メタノコンドロイチン(Methanosarcina)、多糖類(Halococcus)、グルタミニルグリカン(Natronococcus)などがある。また、テルモプラズマ綱は細胞壁が無い。多くの古細菌はグラム陽性細菌同様外膜を持たないが、Ignicoccus及びMethanomassiliicoccus luminyensis、未培養系統であるARMAN、アルティアルカエウム目は外膜(または外細胞膜)を持つ。これらは系統的に離れていて、進化的な意義は不明である。
基部のモーターにより鞭を回転させ、細胞の移動を可能とする器官である。直径10-15nm、全長10-15μm。細菌の鞭毛に似るが、よく見るとやや細く、また、構成するタンパク質にも相同性はない。むしろ古細菌自身やグラム陰性細菌が持つIV型線毛との共通点が多い。一方、細菌の鞭毛はIII型分泌装置との共通点が多く、両者は異なる起源を持つと考えられている。鞭毛の繊維部分は根元にユニットが追加される形で伸長する。また、細菌は鞭毛の駆動力として水素イオン濃度差を利用するが、こちらはATPの加水分解により駆動する。エネルギー変換効率はほぼ100%の高効率を達成している細菌に比べて著しく低く、6~10%程度と見積もられている。250px
細胞膜を構成する脂質は、古細菌と他の2ドメインを区別する最大の特徴である。真核生物および細菌はグリセロールのsn-3位にリン酸基が結合したsn-グリセロール3-リン酸を基盤として、sn-1位、2位に脂肪酸残基がエステル結合している。対して古細菌がもつリン脂質はこれと鏡像体の関係にあり、sn-1位にリン酸基が結合したsn-グリセロール1-リン酸を基盤として、sn-2位、3位に脂肪酸ではなくイソプレノイド基がエーテル結合している。ただし、両者の区別は以前考えられていたほど厳密ではない。エーテル結合を含む脂質や環状脂質は、超好熱菌アクイフェクスやサーモデスルホバクテリア(Thermodesulfobacterium)などからも見つかっている。また2020年、一部の細菌(FCB群)が細菌タイプと古細菌タイプの脂質が混在した細胞膜をもっている可能性が報告された。一方で、一部の古細菌は、細菌タイプの脂質を合成するための遺伝子の一部をもつことが知られている。ただし、必要な遺伝子をすべてもつ古細菌は知られておらず、実際に細菌タイプの細胞膜を合成する例は未だに報告されていない。
古細菌および細菌どちらの場合も、脂質分子は互いに向かい合って脂質2重層を形成している。古細菌がもつ脂質分子の炭化水素鎖は多くの場合、炭素数20(稀に25)のイソプレノイドからなる。不飽和型は稀である。一部の古細菌の細胞膜には、C20イソプレノイド鎖(フィタン鎖)が向かい合って結合したC40ジフィタン鎖からなるテトラエーテル型脂質や、炭化水素鎖の途中で架橋、あるいは環状構造を有す物も存在する。これら脂質分子の組成は古細菌の種類および生息環境によって変化する。
細胞膜上にはATP合成酵素や電子伝達体(その他メタン生成経路やバクテリオロドプシンなども)などの酵素類が偏在しており、古細菌の代謝の主要な場である。膜上にはこの他に各種輸送体や各種センサーなどが存在する。
細胞質に目立つ構造は少ない。DNA、エネルギー貯蔵用のポリヒドロキシ酪酸の顆粒、リボソーム、高度好塩菌などが持つ浮力調整用のガス胞などが比較的目立つ程度である。細胞骨格については、Thermoplasmaが細胞壁がないにもかかわらず、様々な形をとることから、発見時より何らかの形で細胞骨格が存在することが推測されていた。これは細菌のMreBに類似した蛋白質が使われている。
一方、クレン古細菌からはアクチンに類似するタンパク質が報告されている。ロキ古細菌から発見されたアクチンは、ヒトアクチンと58-60%の同一性を持ち、プロフィリンはウサギアクチンと相互作用を起こすことができる。この系統やタウム古細菌からはチューブリンに近い遺伝子も報告されているが、実態は良く分かっていない。
1996年にMethanocaldococcus jannaschiiの全ゲノムが解読されて以来、2018年までに250株以上の古細菌についてゲノムの解析が行われた。ゲノムサイズは1.2 - 6 Mbp(Mbp=100万塩基対)と細菌と比較してもやや小さく、Methanothermus fervidusのゲノムは124万3342bpしかない。完全独立生物を送るものとしては最小である。さらにIgnicoccus hospitalisという古細菌に共生している“Ca. Nanoarchaeum equitans"に至っては宿主に完全に依存しているとはいえ、49万885bpというきわめて小さなゲノムを持つ。これまでに解析された古細菌のうち、最大のゲノムを持つのはMethanosarcina acetivorans(575万1492bp)である。ゲノムは好熱菌では1分子のことが多いが、高度好塩菌や一部のメタン生成菌は副ゲノムやプラスミドを所持する例も多い。ゲノムサイズは小さいものの、古細菌のゲノムは細菌や真核生物よりも複雑性が高いという。
DNAの構造は細菌に類似しており、環状のDNAを持ち、それが凝集して核様態を形成している。一方で、DNA結合タンパクは細菌とは異なり、一般的に古細菌型ヒストンである。Methanothermus fervidusのヒストンは詳細に観察されていて、真核生物のH3-H4四量体に対応する構造をとる。この四量体におおよそ60bpのDNAが巻き付き、真核生物のヌクレオソームに類似する構造を形成することが報告されている。ただし古細菌型ヒストンは、三次構造レベルでは真核生物ヒストンによく似ているものの、翻訳後修飾を受けるという報告は無く、N末側テールに相当する領域も欠く。その他各種DNA結合タンパクが存在する。テルモプラズマ綱とデスルフロコックス目、スルフォロブス目はヒストンを持っておらず、それぞれ細菌のHU様タンパクや、独自のAlbaタンパクを使用する。
古細菌のDNA複製は真核生物に近い。対して細菌のもつ複製機構とは類似性がなく、古細菌・真核生物と細菌とで起源が異なると推定される。複製を担うDNAポリメラーゼについては、真核生物がBファミリーDNAポリメラーゼ(以下PolB)を使用するのに対して、古細菌は独自のDファミリーDNAポリメラーゼ(以下PolD)を併せもち、このどちらか、または両方が複製に使用されている。岡崎フラグメントの長さは真核生物と同様短いが、複製速度は細菌同様速い。DNAそのものは細菌と同じく環状2本鎖にもかかわらず、複製開始地点が複数存在する場合もある。一般に、古細菌のDNA複製機構は、真核生物のそれの祖先型とみられている。
また、古細菌に感染するウイルスも多数発見されている。多くは二本鎖DNAウイルスで、形態はかなり多様性に富んでいる。海洋環境でのウイルスによる感染の影響は細菌よりも古細菌の方が大きく、ウイルスによって死滅させられた古細菌から、炭素換算で年間3~5億トンものバイオマスが供給されていると見積もられている。ウイルスに対しての獲得免疫システムとしてCRISPR/Casシステムがあり、古細菌の84%にCRISPRが存在すると推定される。少数だが制限酵素を持つ古細菌もいる。
DNA情報をもとにタンパク質が合成される過程(セントラル・ドグマ)は転写および複製からなっており、これは現存する全生物に共通するが、各ドメイン間で合成機構は微妙に異なる。古細菌のタンパク質合成過程は細菌と類似する点もあるが、使用される酵素の分子構造は真核生物(真核生物の翻訳参照)と類似している。まずRNAポリメラーゼがDNA配列に従いmRNAを合成(転写)し、さらにリボソームにおいてmRNA配列に従ってタンパク質に翻訳される。転写機構は真核生物のRNAポリメラーゼIIによる転写機構とよく似ていて、立体構造も酷似する。リボソームは3つのRNAと70種弱のタンパク質より成り、RNAはやや細菌に、タンパク質は真核生物に近い。翻訳開始アミノ酸はメチオニンで、リボソームがストレプトマイシンやキロマイシンによって阻害を受けず、ジフテリア毒素によって阻害を受けることなどの点で真核生物に似ている。
古細菌のTCA回路は他の生物とほぼ同じである。好気性の古細菌や一部の嫌気性クレン古細菌は完全なTCA回路を備えており、反応は通常の好気性細菌や真核生物と同様に進行する。残りの嫌気性菌はTCA回路を部分的にしか備えておらず、炭素固定などに利用している。
解糖系は各古細菌種によってED経路(エントナー-ドウドロフ経路)、EM経路(エムデン-マイヤーホフ経路)何れかが存在する。こちらは他の生物といくつか相違が見られる。いくつかのメタン菌やテルモコックス綱からはEM経路に関係する酵素が見つかっているが、ADP依存性グルコキナーゼやADP依存性ホスホフルクトキナーゼ、ホスホエノールピルビン酸シンターゼなど特異な酵素が関与するため、変形EM経路と呼ばれている
。一方、好気性の古細菌の多くは、好気性の細菌の一部に見られるエントナー-ドウドロフ経路(ED経路)に似る経路を使用する。高度好塩菌では、一部の経路がリン酸化せずに進行するため、部分リン酸化ED経路と言う。テルモプラズマ目の非リン酸化経路では、反応の末端である2-ホスホグリセリン酸に至るまでリン酸化を伴わず、更にグリセルアルデヒドからグリセリン酸までの反応が、グリセルアルデヒドデヒドロゲナーゼによってバイパスされるため、系全体の収支としてATPは生成しない。
ペントースリン酸経路はあまり見られず、リブロースモノリン酸経路を用いる種が多い。独立栄養性の種では、炭素固定回路は種によって異なる。古細菌特有の経路として、Ignicoccusなどがジカルボン酸/4-ヒドロキシ酪酸回路を用いている。
古細菌は基本的に細菌と同様、単純な二分裂によって増殖(繁殖)する。出芽により増殖するテルモプロテウス目など一部を除くと、分裂後も殆ど同じクローンが2体できるだけである。胞子や芽胞の形成も確認されていない。最適条件での増殖速度はMethanocaldococcusやPyrococcusで約30分、Methanosaetaなど遅いものだと数日を要する。分裂に伴う細胞膜の切断やDNAの分配は細菌に似ていると言われている。Methanocaldococcus jannaschiiを始めとしたユーリ古細菌のゲノム上にはFtsZ、MinDなどが存在し、細菌と同様、Zリングの収縮で細胞を分裂させると考えられている。一方でクレン古細菌からはFtsZが見つからず、分裂機構は長い間全く不明であった。2008年に真核生物のエンドソーム選別輸送複合体(ESCRT複合体)に相当するタンパク質が細胞分裂に関与するという報告がなされている。タウム古細菌も同様の機構を持ち、アスガルド古細菌ではさらに多くのESCRT複合体関連遺伝子が見つかっている。一方で、テルモプロテウス目のゲノムからは、FtsZもESCRT複合体も見つからず、アクチンに類似するタンパク質を用いた細胞分裂機構を持つと予想されている。
有性生殖は存在しないが、特殊な例として、Haloferax volcaniiにおける細胞間架橋構造の形成がある。細菌の接合はプラスミドを移行させる現象であるが、この例ではプラスミドや細胞質は移行せず、ゲノムDNAのみが移行する点で異なる。スルフォロブス目の例では、UV照射や薬剤暴露によるDNA損傷によって細胞凝集が誘導され、染色体の組み換えが起こる。それ以外のストレスによっては誘導されず、プラスミドも関与しないなどといった点で細菌の接合とは異なる。また、繊毛を失った株は凝集できず、UV照射に対する生存性が低下する。細胞融合性を持つFerroplasma acidarmanusでも激しいゲノム組み換えが見られる。いずれも組み換えはプラスミドでは無くゲノムDNAに制御されている。Sulfolobusではゲノムの交換は種特異的であり、Ferroplasma acidarmanusも進化距離の違いにより組み換え率が急速に低下する。これは古細菌における種の概念を示している可能性がある。
古細菌は、かつてメタン生成を除き、地球上の物質循環への影響は限定的と考えられてきた。しかし、難培養性の古細菌の研究が進むにつれ、地球規模の物質循環への寄与が無視できないものであることが明らかとなってきている。全体として見た場合、環境中の古細菌は、炭素や窒素、硫黄における物質循環の一部を構成している。
近年注目されているのは窒素循環への関与である。以前からメタン生成菌や好熱菌など一部の古細菌が窒素固定や硝酸塩呼吸を行うことは知られていたが、これらに加え、2005年にタウム古細菌がアンモニア酸化を行うことが発見された。メタゲノム解析は、アンモニアモノオキシゲナーゼを有すタウム古細菌(亜硝酸古細菌)が、海洋、土壌何れにおいてもアンモニア酸化細菌を遥かに上回ることまで示している。これにより、アンモニア酸化は細菌が行うというこれまでの常識が崩された。農業用土壌では、アンモニア酸化細菌と古細菌は、アンモニア濃度やpH、土壌深度等に応じて住み分けを行っているようである。亜硝酸はその後別の細菌によって硝酸に酸化され、植物など他の生物によって利用される。この過程に古細菌が関与するという報告はない。亜硝酸古細菌はまた、温室効果ガスである一酸化二窒素を放出する。一方で、亜硝酸古細菌はメタンの酸化分解を行うという報告もある。
また、硫黄循環においては、鉱物から硫黄を遊離する過程で古細菌が働く。例えばSulfolobusは単体硫黄を酸化することによって増殖する。この活動によって生成する硫酸が環境汚染を引き起こすことがあるが、硫黄循環においては、硫黄を植物に利用できる形に変化させるという点において重要である。ただし、この反応は細菌の一部も同様に起こすことができる。
メタン生成菌は炭素循環において独特の地位を占める。これらの古細菌が持つ水素や有機酸をメタンとして除去する能力は、嫌気条件での有機物代謝の最終段階を担っている。この過程は「メタン菌」において詳しい。天然ガスやメタンハイドレートも、その生成にはメタン菌が関与している。しかしながら、メタンの温室効果は二酸化炭素の21倍強く、地球温暖化寄与率は18%に達する。メタン菌は地球上におけるメタン放出量の少なくとも2/3以上を占めると考えられている。水田や反芻動物から放出されるメタンも、元を辿ればほぼ全てがメタン生成菌由来である。なお、古細菌の中には、硫酸還元細菌と共生し、嫌気条件下でメタンを硫化水素と二酸化炭素に分解する系統も存在する。
2015年には、植物プランクトンにとって重要な補因子である、海洋のビタミンB12生産の大部分をタウム古細菌が担うと報告された。