嗜热细菌的生存能力逆天啦!
发布时间:2016-12-26
出品:科普中国
制作:鹰眼
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  对于许多人来说,50摄氏度以上的温度就会让人感觉非常不舒服,但有些生物却能在沸腾的热水中优哉游哉地生活。它们为何能够忍受极限高温?研究这些耐热生物对人类来说有什么好处?

沸水中的极端微生物
在遥远的东西伯利亚,数百座活火山耸立在岩石之上,其间点缀着数以千计的热泉。俄罗斯人称这里为“正在形成的土地”,因为这里的火山总是在融化岩石,形成新的地貌。堪察加半岛上的“新土地”堪称地球上最荒凉的地方,但这并非意味着没有任何生命。在热气弥漫、冒着气泡的沸水中,依然存在着许多奇怪的微生物,有些甚至能在130度左右的水中生存。

  堪察加半岛是地球上最活跃的的火山喷发区之一,是太平洋“火山带”的重要组成部分。这里最引人关注的区域是克罗诺基国家公园的Uzon火山口,它就像四面被山围绕的碗,里面有数百处热泉、间歇泉以及泥浆池,它们的热量来自地底深处的地热。这里的岩石中含有丰富的砷、磷、铜、铅、锑甚至黄金。甲烷、硫化氢、氮气以及二氧化碳等地热气体从地表渗出,或在热泉中形成气泡。这个地方非常危险:你可能很容易掉入沸腾的水中或吸入有毒气体。但对于许多微生物来说,这里却是最好的繁衍之地。对于研究极端微生物的生物学家来说,Uzon火山口也是完美的研究场所。

  大多数生物无法在热泉中生存,接近沸点的温度可以煮熟大多数正常的生物,并破坏蛋白质、脂类和遗传物质。但是高温并非热泉生物需要面对的唯一问题。有些热泉中酸性很高,有的则碱性更强。有的水非常咸,有的则富含砷、硼酸、硅酸以及硫酸。这些热泉中几乎没有氧气,因为高温下氧气不会溶解在水中。
呼吸剧毒气体,吸收化学能
正是因为生存条件如此恶劣,没有任何复杂的生物能在热泉中生存。在温度达到50摄氏度以上时,动物通常就会感到非常不舒服。大多数在极热环境中生存的生物都是单细胞细菌或古生菌。它们是地球上最简单的生命形态,或许也是最古老的。它们只有1个细胞组成,缺少更高级生命拥有的复杂细胞机制。

  为了能在沸腾的热泉中发现更多生物种类,科学家收集了大量样本,并分析拥有极端抗性的微生物DNA。科学家们在这里发现一系列微生物,包括许多前所未见的新物种。英文名为Desulfurella acetivorans的细菌是一种生存在58度热泉水中的细菌。它以温泉中的有机物为食,不需要呼吸氧气,而是通过被称为“硫还原”的过程从火山硫中吸取能量。
Thermoproteus uzoniensis是科学家们在Uzon火山口和间歇泉峡谷的热泉中、蒸汽喷口、泥孔以及泥土中发现的新细菌。这些杆状微生物可以在接近沸点的水中生存,以食用名为肽的有机分子发酵物为生。它们也使用“硫还原”过程获得能量。科学家们认为,Thermoproteus uzoniensis经常可以跨区域出现,因为它们通过风、水、鸟甚至熊等被携带到其他地方。

  另一种英文名为Acidilobus aceticus的细菌是在酸度极高的热泉中发现的。这种酸水的温度非常高,可以达到92摄氏度。它以发酵的淀粉为食,同样以“硫还原”过程推动新陈代谢。
实际上,在热泉和间歇泉中,不仅存在着呼吸硫的微生物。在二氧化碳、一氧化碳、铁以及硝酸盐等火山气体中,也有许多细菌生存。研究人员在勘察半岛发现许多截然不同的噬热细菌,它们的特殊本领是可以呼吸一氧化碳,对于正常生物来说,它属于剧毒气体。

  Uzon火山口最大、最热的热泉是Bourlyashchy Pool,它的温度达97摄氏度,是科学家研究陆地生命最热的环境。研究人员在这里发现大量微生物,其中许多细菌都属于更古老的产水菌(Aquificales)。它们曾在美国西部的黄石国家公园热泉中发现,可以从氢中获取能量。
嗜热细菌的四大耐热武器
当然,并非所有堪察加半岛的微生物都是新物种,有些以前已经在黄石公园、冰岛或新西兰发现过。这些微小的生命形态在地球上最热、最恶劣的环境中生存下来,它们到底如何做到的?

  在堪察加半岛和世界其他地方热泉中发现的细菌与古生菌都拥有独特的适应能力,让它们可以在高温环境中生存。在正常情况下,包裹活细胞、充当脂健的脂质膜会在50摄氏度以上温度环境中崩溃。而有些热泉微生物通过使用特殊的醚健代替脂健来应对这个问题,醚健比脂健更牢固结实。
此外,在高温环境下,为正常生物提供细胞内部化学反应所需能量的蛋白质和酶会改变性质,就像DNA那样。微生物也找到了应对之法。特殊的氨基酸序列可以强化蛋白质,并保护它们。此外,蛋白质内被称为离子的带电粒子也可以帮助其形态更加稳固。

  嗜热细菌应对高温环境的另一种武器是被称为热休克蛋白质的特殊分子。它们可充当分子的保护者,预防黏在一起的蛋白质被拆散。它们还可以积极粘合在热环境下分解的蛋白质,让它们重新发挥功能。
还有证据显示,与正常细菌相比,嗜热细菌的蛋白质更密集、更紧凑,这可以保护它们不被分解。此外,每种蛋白质复杂的3D结构之间的不同部分可能存在额外联系,有助于保持分子结构的稳定。
这些策略加起来,让某些微生物可以不断超越极限,在我们认为的极端环境中生存下来。科学家们认为,嗜热微生物有特殊的生物机制,让它们的聚合物(蛋白质与核酸)在高温环境下维持稳定的结构和功能。嗜热细菌的膜也不同,这些细菌的膜中含有更多饱和脂肪酸。而古生菌的膜异常牢固,这可能是存在名为异戊稀基醚的特殊脂质所致。
嗜热微生物的开发应用
这些嗜热微生物特殊的适应能力让科学家们十分着迷,但这不仅仅因为他们的职业兴趣。从嗜热微生物中提取的酶可在高温环境下工作,这使得它们在石油、化工、纸浆和造纸等行业都拥有诱人的前景。耐热酶也可被用于制造清洁剂。即使是法医学也可从研究嗜热微生物中获益。许多法医工作涉及到的DNA只能通过名为聚合酶反应链的特殊过程获得,这个过程可以复制DNA,并放大信号至可探测的水平。而DNA的复制酶就是从嗜热细菌中分离出来的。

  或许最重要的是,生活在热泉中的微生物能在可以在杀死大多数生物的环境下生存,这对理解地球生命起源和早期进化非常关键。热泉为我们提供了史前地球生命诞生和进化的线索,那时候地球上几乎没有阳光、光合作用或者植物。这意味着,稀薄的原始大气层中可能没有氧气。

  由于没有完整大气层的保护,紫外线可以破坏生物的DNA,这意味着生命可能只会生存在海洋深处或地下,这些早期生命可能面临着与今天堪察加半岛上的微生物类似的生存挑战。堪察加半岛的恶劣条件也可能也代表了太阳系其他星球上的环境。如果微生物能够在地球的热泉中生存,可以从火山中吸取化学能,或许它们也能在其他星球上生存。

中国科学院科普云平台技术支持,中国科学院计算机网络信息中心运行
文章内容仅为作者观点,不代表中国科普博览网、中国科普博览网运行单位、中国科普博览网主办单位的任何观点或立场。
关闭