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极端微生物将生物学带入新领域

2019-03-12 00:39:32

海底热液喷口、盐湖、酸碱泉、深海……在这些本不应该存在生命的环境中,科学家们找到了微生物,并将它们统称为“极端微生物”。美国科学家认为,对极端微生物的研究或许是寻找外星人的关键——宇宙中的生命形式可能是多样化的,或许就可能在耐酸、较高温度环境中生存。美国航空航天局艾姆斯研究中心的科学家正在试图通过基因工程可“创造”出适应极端环境的微生物。我国科学家也在研究极端微生物,他们认为,极端微生物的生命策略和适应环境的多样性或许早已解决了科学家今天仍在寻找答案的那些问题。

地球生命形式的独特风景线 极端微生物是指能够在如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等极端环境中正常生长繁殖的微生物,而这些极端环境对普通生物(包括人类)而言是不可耐受的,一度被认为是生命禁区。

但其实,从生命现象发生以来,极端微生物在地球生物圈中业已存在,只是由于生产和科学技术的局限,直到19世纪末人们才逐渐在生活和生产实践中认识到这一大类特殊生命群体。从接近沸点的温泉和海底火山口、寒冷的南北极区、盐湖和酸碱泉到高寒及高压的深海环境等,无处不活跃着极端微生物的身影。

极端微生物根据生存环境不同可分为嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜盐、嗜压以及抗辐射、耐干燥、抗高浓度金属离子和极端厌氧的微生物等类群,它们构成了地球生命形式的独特风景线,它们在细胞构造、生命活动和种系进化上的突出特性,以及存在的原理与意义,为更好地认知生命现象、发展生物技术提供了宝贵的知识源泉。

像其他微生物一样,极端微生物也具有丰富的多样性。目前科学界已发现的、支持极端微生物生长的温度极限为121℃,pH达11,pH值接近0,盐浓度达到饱和的5.2摩尔,耐辐射剂量20kGy(是人致死剂量的2000倍)以上,压强达130MPa(相当于13000米水深)以上等。

极端微生物将生物学带入新领域

探索生命极限的线索 极端微生物不仅代表了生命适应环境的多样性及其可能的范围,对探究生命的起源、生命的进化或地外生命都具有非凡意义。从分类角度看,目前地球的生物圈可以分为三大领域:细菌、古菌和包括人类的真核生物(动物和植物)。其中细菌和古菌均属于原核微生物;绝大多数古菌和少部分细菌都是极端微生物。这些极端微生物为地球的生物圈界定了环境极限的边界条件,也提供了探索生命极限的线索。

科学家们相信,极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源宝库和极其珍贵的科研素材。开展极端微生物的研究,对于揭示生物圈起源的奥秘,阐明生物多样性形成的机制,认识生命的极限及其与环境相互作用的规律等,都具有极为重要的科学意义。

例如极端微生物尤其是许多超极端的古菌,它们均属于生命树根部的进化分支,而且生理特征和生活环境与地球开始出现生命时的地质化学和环境状况可能相似。因此这些极端微生物可能代表了古老的生命类群,是寻找早生命形式和探索生命起源重要的研究对象。

例如,近年来,生命的“热起源”假说形成了关于生命起源的主流,但对此假说也有质疑——嗜热物种究竟是祖先,还是在极端环境的压力下选择进化的结果。对嗜热微生物的研究将有助于对生命“热起源”假说的进一步认识。

极端微生物中发现的适应机制,还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。例如耐辐射细菌所耐受的高辐射剂量,在地球上从未出现过,甚至催生了地球生命的外星球起源的假说。

更有意义的发现是,古菌遗传信息传递与真核生物的极其相似,因而古菌很可能成为了解真核生物,甚至我们人类的遗传信息传递系统的有效模型。

随着研究的深入,科学界对极端微生物的研究兴趣越来越浓厚。短短40年间,对极端微生物多样性的研究取得了很大进展。仅超嗜热菌就从1972年的2个种增加到目前的80多个种,其他各类极端微生物的种也有200多个。随着研究的深入和新研究方法的采用,微生物生存的环境条件极限也将不断地被改写着。

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