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  • 超嗜热生物

    超嗜热生物指能在极热的环境(60℃以上)中生活的生物。其生长最适温度通常在80~110℃,而2003年发现的一株古菌“菌株121”[1]甚至能在和灭菌锅相同的温度,即121℃下,24个小时内,细胞数目加倍。

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    基本信息 编辑信息模块

    中文学名: 超嗜热生物 界: 动物界
    属: 火叶菌属

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    简介/超嗜热生物 编辑

    超嗜热生物指能在极热的环境(60℃以上)中生活的生物。其生长最适温度通常在80~110℃,而2003年发现的一株古菌“菌株121”[1]甚至能在和灭菌锅相同的温度,即121℃下,24个小时内,细胞数目加倍。多数超嗜热生物属於古菌,但也有一些细菌(包括一些蓝藻)可以忍耐70到80℃的高温。很多超嗜热生物也可以抵抗其它极端环境,如高酸度或辐射强度。
    超嗜热生物最初於1960年代在美国怀俄明州黄石公园的热泉中发现。此后,又发现了50种以上。一些超嗜热生物需要至少90℃的高温才能够存活。
    尽管目前还没有发现能在121℃以上正常生活的生物,但它们的存在还是很有可能的(菌株121在130℃下两个小时仍存活,但换入103℃的新鲜培养基后不能繁殖)。然而,大概不存在150℃或更高温度下存活的生物,因为DNA和其它对生命活动很重要的分子在此温度下会分解。 超嗜热生物的蛋白质需要具有很强的热稳定性,这依赖於它们在高温中结构的稳定性,从而使功能保持稳定。这些蛋白和在较低温度下生活的生物的相应蛋白同源,但其最强的功能却在于能在高得多的温度下发挥。

    蛋白特点/超嗜热生物 编辑

    内部氨基酸残基形成更多的盐键,有紧密折叠的疏水核心等。此外,一些超嗜热生物制造很多胞内溶质,如磷酸二肌醇酯(di-inositol phosphate)、磷酸二甘油酯(diglycerol phosphate)、甘露糖基甘油酸(nnosylglycerate)等,帮助蛋白质抵抗热降解。多数低温下的同源蛋白在60℃就会变性,所以这些热稳的蛋白具有很高的潜在商业价值,比如,用於高温下的催化反应。 

    更多发现/超嗜热生物 编辑

    火叶菌属的延胡索酸火叶菌(Pyrolobus fumarii),一种生活在113℃大西洋热液喷口的古菌。 2003年8月,美国科学杂志报道:华盛顿大学的海洋学家们,在太平洋海面以下2400多米的深海中发现了一种微生物,它是迄今所知的最为耐热的生命,名叫菌株121。这这种生物长期存在于含铁和硫等矿物的深海热喷口附近。实验显示,这种生物在加热到121摄氏度时仍具有繁殖能力,24小时内数量可以翻一番。 121摄氏度是现行医疗消毒的标准,100年来生物学家一直认为121摄氏度即能够杀死所有已知的生物。但现在菌株121的出现无疑说明,教科书已经被改写,生物体的生存能力已经远远超过人们的想象。 长期以来,我们坚信空气、阳光、食物、水和适宜的温度、气压,以至适宜的酸碱度,是生命存在不可或缺的条件。但地球其实绝不只有这温柔的一面,生物圈也并不仅仅是我们看到的这样。 

    人类一直认为南北极,2000米以下的深海等地方是生命的禁区,然而这里同样也是生命的家园,现在发现一些生命竟然以人类无法想象的方式,生活在极端恶劣的环境之中。 

    超嗜热生物耐热辐射奇球菌

    1977年,地质学家对大陆漂移学说产生了浓厚的兴趣,根据学说,太平洋板块和南美板块应该有一条断裂带,他们制造了一个名叫阿尔文号的潜水艇,来到了赤道附近的加拉帕戈斯群岛,当下潜到2500深的海底的时候,他们被眼前的景象惊呆了:数十个高约2-5米的柱状物正向海水中喷着黑色的烟雾,阿尔文号仿佛穿梭在 “海底工厂”之中。更让他们惊讶的是这些黑烟囱周围还生活着大量奇形怪状的生物,它们生存的密度很高,俨然是一个庞大而有序的生物群落。 黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的,大量溶解了地底金属元素和硫化物的液体从裂缝中喷出之后,一遇到冰冷的海水就形成了浓密的黑色烟雾,这些喷发口在科学上被称为海底热液口。如今已经发现了140多处这样的喷口场。黑烟囱附近的生物量往往是附近深海环境中生物量的数万倍。 

    让生物学家惊讶的是这样的环境怎能孕育出如此丰富的生物群落。这里的静水压超过1000个大气压,海底热液??压力使它不致沸腾,而海底的平均温度只有2摄氏度,其温度跨度之大也可以想象。热液口还含有大量的对生命体有毒害的重金属元素和硫化氢。 

    然而就在这样的环境里生活着大量奇形怪状的生物,新发现的生物种类已达10个门,500多个种属,而这些生物中又有很多是热液口所特有的。比如这里发现的大量虾类,和我们平时见到的虾不同。虾的眼睛是一个很重要的内分泌调节器官,相当于人的脑下垂体,但在深海热液口,它把这样重要的器官丢掉了。 

    科学家对这些管状蠕虫的研究是在这个生物群落中最深入的。成年的管状蠕虫体内充满了共生细菌,管状蠕虫通过它红色的鳃吸入硫化氢气体提供给共生细菌,而共生菌为其提供营养和能量。 

    而这些共生菌才是海底热液口最大的秘密,它们是热液口食物的提供者,是这个独特食物链的起始。正是有了它,才有了整个海底热液口生物群落。 

    在我们的常识中,自然界是一个以光合作用为基础的生态系统,也就是说食物链的最根部是植物,是它们靠光合作用从太阳那里吸收能量,然后把无机物、二氧化碳和水合成最初的碳水化合物来供养万物。 

    而且不光是陆地生态系统需要光合作用,海洋里面也是一样,一般认为,海洋生态系统也是靠表层藻类进行光合作用来维持的。然而这些,都无法解释在热液口的生命现象。 

    深海热液口的研究并不是研究极端微生物的始端,早在20世纪初人们就发现在美国黄石公园的热泉里有各种各样的微生物存在。在这个接近沸点的水世界里发现了耐热的生命之后,一个世纪以来不断有科学家对它们产生研究的兴趣,而直到今天应该说热泉里的生命秘密仍然没有完全揭开。 

    云南腾冲是我国三大地热之一,腾冲的热泉流量大温度高,有的甚至超过95摄氏度,由于高原气压关系,当地水的沸点不过如此。今天这里的地下岩浆活动仍很活跃,巨大的热能通过地下水传到地表释放出来。近年来,在这里也发现了许多嗜热微生物。 

    黄力:“年我们去云南腾冲采样,在一个叫做蛤蟆泉的地方,分离到硫化叶菌。硫化叶菌的生活环境其实是非常有意思的。硫化叶菌要求它的环境温度,在八十摄氏度左右,或者是高于八十摄氏度 。同时它希望它的这个环境是酸性的,这个微生物叫做嗜酸嗜热微生物。” 

    世界各地的研究发现:硫化叶菌这种神秘的生物,最适宜在80度以上的热泉中生活,而常识告诉我们蛋白质超过60度就要凝固,而它们在沸腾的泉水中却自由自在,世代繁衍,安乐定居。那么在热泉中生命是如何生存的,又怎样适应这种在人类看来无法忍受的环境的? 

    超嗜热生物耐热菌

    黄力:“在我们的研究中找到了一些蛋白,在硫化叶菌细胞里面,我们的这些蛋白能够覆盖它们整个遗传物质。可能是起到保护作用,使这些遗传物质在高温下保持稳定。同时我们也发现什么呢?这些蛋白能够让细胞里面的一些重要的遗传物质、遗传过程,让它遗传的活动能够正常地进行。” 

    生物学家的工作使我们认识到在极热条件下有嗜热微生物的普遍存在,其实,与之对应的另一个极端,极冷的条件下也是有生命的。 

    南极大陆号称地球的冰箱。1963年前苏联东方站曾测到世界最低温度零下89点2度,在这样的低温下,一块钢板从空中掉到地上就会摔得粉碎。南大洋终年不化的冰冻海冰和常年刮着的强劲西风,阻碍了海水同空气之间的热量交换。 

    酷寒使南极一些区域被科学家们称为不可接近的地区。尤其在南极内陆那里不但最为寒冷而且极为干旱,厚厚的冰盖下存在着千年冻土。 

    上个世纪70年代,美国生物学家维舍尼亚克为了实验在火星上寻找生命的方法,来到寸草不生的南极内陆峡谷,尽管由于意外他葬身在南极,但他的实验揭开了南极内陆生物考察的序幕,后来俄罗斯和美国航空航天局的科学家们联合在南极内陆大峡谷钻孔,考察永久冻结层,从土壤的中心位置取样,然后研究是否有生命存活下来的痕迹。 

    他们在不久前终于发现了细菌,这表明在零下二十摄氏度的环境中细菌仍然能够存活。 

    除了冷热的变化,一些有毒化学物质和过量的无害物质都会威胁生命。这是东部非洲一个奇怪的湖,上亿年以来,这里似乎一片荒凉,它是由附近的火山喷发后沉积形成的,由于湖中有很高的碳酸钠浓度,很难相信生命可以在这里存在,而实际上这绛红色本身就是生命。这大片的暗红色区域竟也是无数生命组成的杰作。在海边的盐池,经常出现这样壮观的景象。盐是人体生理所必需的,然而肾脏所能承受的盐的浓度一般不超过2%,而海水盐浓度达3.5%,而经海水进一步浓缩提取的盐池达15%以上,更是一般生物难以承受的。 

    周:“《齐民要术》里面描述了在海滩上的盐田,发现到一定的时候,这个盐池就会变红。其实按现在我们的知识来说呢,就是我们现在认识的嗜盐菌,里面它在高浓度盐里面,生活发育都挺好。但是在低浓度的时候,它不长。甚至于它细胞会破裂,会死掉。” 

    在我国西部地区有相当数量的大盐湖。20年来,我们对于盐湖中生命的现象有了较多的发现,目前为止一共在国际上发表了,在这些盐湖中找到的3个新的属,12个新的种。 

    马延和:“像在西藏有一个盐碱湖叫扎布耶茶卡,它的盐度也很高,PH值也很高,同时呢,它有很高的氯化锂浓度,氯化锂是一种重金属离子,对一般的生物体是有毒的,但是在这个里面,有非常多,非常丰富的微生物。这种极端微生物有比较强的耐受力来抵抗重金属离子和盐碱。” 

    这就是奇特的嗜盐菌,目前自然界的生物中,只有嗜盐菌有方形甚至还有三角形的细胞结构。现在认为这样的结构很可能为它适应高盐浓度的环境供了便利。 

    在已知的极端微生物中,最令人们惊奇的恐怕是现在我们看到的是耐辐射奇球菌。如今辐射污染日渐成为威胁人类生存和健康的大敌。而对它来说,人类所惧怕的辐射量对它不会产生丝毫的影响。 

    超嗜热生物热泉取样

    这种生物奇怪的特性让世界为之震惊,许多人正着重研究它何以具备如此超强的抗辐射能力? 

    华跃进:“研究发现,它这种超常的辐射抗性是来自于它高效和准确的DNA修复机制。” 

    不断发现的极端生命使我们不得不对我们以前所认知的生命生存条件进行反思,而且这些发现也极大地促进了科学家对进一步挖掘极端环境的积极性。然而这种探索无疑是艰辛的。 

    自从认识了海底新型的生态循环之后,人们也在想是不是大陆上也存在着这种非光合作用的系统,由洞穴探险专家和生物专家组成的探险队来到了美国新墨西哥州的莱特圭拉山洞,这是一处巨型山洞,它在地下绵延60多公里,洞内温暖而潮湿,温度达到摄氏20多度,湿闷的空气使人透不过气来。以前很少有人这么深入地到达莱特圭拉山洞,洞里的环境还保持着原始状态,科学家们发现了一些原始微生物活动的线索。 

    在洞内一个隧道的岩壁上,有许多奇特的小坑,看起来就像是被酸腐蚀过似的。难道这是原始有机物和硫反应产生的硫酸所形成的吗。山洞这里的石头表面都附着一层褐色黏土,事实上这是被腐蚀的结果,科学家们还无法断定这是一种生物现象还是一种化学现象。 

    后来两名科学家他们在罗马尼亚的重大发现才使人们了解到大陆上同样存在着的另类循环系统。一名生物学家和一名地质学家,他们沿着莫里山地下河的隧道漂浮游动,借着手电的光亮,他们看到冒着白气的水面飘着厚厚的一层乳白色的泡沫,并闻到了一股刺鼻的硫酸味。 

    经过分析这些泡沫是由上百万个有生命的有机体构成的,科学家们发现洞中的微生物不是靠阳光而是靠与周围的硫磺化合来产生生命所必须的养料。有机生物竟然可以生存在完全黑暗的环境中。 

    90年代末英俄联合考察队对大西洋的海底热液喷口场进行深入探索。 

    这一次,他们乘坐的是凯尔第十号考察船,这艘俄罗斯的考察船配备有两艘潜水艇,考察队里共有来自英国和俄罗斯的80科学家,他们要去的地方是位于大西洋海底中部的布鲁尔斯普尔热液喷口场。 

    这次考察的地点位于大西洋底3500米深处,执行这次水下任务的是由前苏联制造的米尔号潜水艇,它曾创造了下潜至6500米的世界纪录。 

    米尔号潜水艇下潜了近十个小时,它四处忙碌地寻找着黑烟囱,尽管没有搜寻到新的喷发点,但它认真地帮助科学家搜集了其他各种材料,在热液口附近有很多虾在游动,米尔号用机械臂把马格纳斯的捕虾器放在了合适的位置。 

    米尔号胜利返航,它带回了不少科研材料,这块叫松脂石的岩石样本上,科学家似乎找到一些蠕虫之类的小生物。 

    超嗜热生物西藏热泉

    杨卫军:“从深海热液取上来的样品,在实验室里开始培养它。它的培养器皿中间,就有一个模拟350度的高温的喷发口。但是深海热液口的这个环境,它是非常复杂的,不单单是一个温度的问题,也不单单是黑暗、水的静压的问题。它还包括很多复杂的化学的组成,甚至包括非常复杂的微生物生态系统,它这里有很多的微生物。在实验室,不可能完全去模拟这些。所以就是说很难培养这些生物。” 

    如此看起来,极端生命生存的条件不仅是极端的,更是系统的、复杂的。 

    生命的极限记录 

    温度: 121 ℃(菌株121) 

    盐浓度: 5.2 M NaCl (嗜盐菌) 

    pH: pH 1.0-1.7(阿曼嗜酸亚铁原体) 


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