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      極限異種

      時間:2010-3-25 14:48:57 點擊:9057


        2003年8月,美國科學雜志報道:華盛頓大學的海洋學家們,在太平洋海面以下2400多米的深海中發現了一種微生物,它是迄今所知的最為耐熱的生命,名叫菌株121。這這種生物長期存在于含鐵和硫等礦物的深海熱噴口附近。實驗顯示,這種生物在加熱到121攝氏度時仍具有繁殖能力,24小時內數量可以翻一番。

        121攝氏度是現行醫療消毒的標準,100年來生物學家一直認為121攝氏度即能夠殺死所有已知的生物。但現在菌株121的出現無疑說明,教科書已經被改寫,生物體的生存能力已經遠遠超過人們的想象。

        長期以來,我們堅信空氣、陽光、食物、水和適宜的溫度、氣壓,以至適宜的酸堿度,是生命存在不可或缺的條件。但地球其實絕不只有這溫柔的一面,生物圈也并不僅僅是我們看到的這樣。

        地球還有它狂躁和嚴酷的一面……

        人類一直認為南北極,2000米以下的深海等地方是生命的禁區,然而這里同樣也是生命的家園,現在發現一些生命竟然以人類無法想象的方式,生活在極端惡劣的環境之中。


      耐輻射奇球菌

        1977年,地質學家對大陸漂移學說產生了濃厚的興趣,根據學說,太平洋板塊和南美板塊應該有一條斷裂帶,他們制造了一個名叫阿爾文號的潛水艇,來到了赤道附近的加拉帕戈斯群島,當下潛到2500深的海底的時候,他們被眼前的景象驚呆了:數十個高約2-5米的柱狀物正向海水中噴著黑色的煙霧,阿爾文號仿佛穿梭在 “海底工廠”之中。更讓他們驚訝的是這些黑煙囪周圍還生活著大量奇形怪狀的生物,它們生存的密度很高,儼然是一個龐大而有序的生物群落。

        黑煙囪是由海底地殼的裂縫制造的,大量溶解了地底金屬元素和硫化物的液體從裂縫中噴出之后,一遇到冰冷的海水就形成了濃密的黑色煙霧,這些噴發口在科學上被稱為海底熱液口。如今已經發現了140多處這樣的噴口場。黑煙囪附近的生物量往往是附近深海環境中生物量的數萬倍。

        讓生物學家驚訝的是這樣的環境怎能孕育出如此豐富的生物群落。這里的靜水壓超過1000個大氣壓,海底熱液噴發口附近的環境溫度高達400攝氏度,極大的靜水壓力使它不致沸騰,而海底的平均溫度只有2攝氏度,其溫度跨度之大也可以想象。熱液口還含有大量的對生命體有毒害的重金屬元素和硫化氫。

        然而就在這樣的環境里生活著大量奇形怪狀的生物,新發現的生物種類已達10個門,500多個種屬,而這些生物中又有很多是熱液口所特有的。比如這里發現的大量蝦類,和我們平時見到的蝦不同。蝦的眼睛是一個很重要的內分泌調節器官,相當于人的腦下垂體,但在深海熱液口,它把這樣重要的器官丟掉了。

        科學家對這些管狀蠕蟲的研究是在這個生物群落中最深入的。成年的管狀蠕蟲體內充滿了共生細菌,管狀蠕蟲通過它紅色的鰓吸入硫化氫氣體提供給共生細菌,而共生菌為其提供營養和能量。

        而這些共生菌才是海底熱液口最大的秘密,它們是熱液口食物的提供者,是這個獨特食物鏈的起始。正是有了它,才有了整個海底熱液口生物群落。


      耐熱的硫化葉菌

        在我們的常識中,自然界是一個以光合作用為基礎的生態系統,也就是說食物鏈的最根部是植物,是它們靠光合作用從太陽那里吸收能量,然后把無機物、二氧化碳和水合成最初的碳水化合物來供養萬物。

        而且不光是陸地生態系統需要光合作用,海洋里面也是一樣,一般認為,海洋生態系統也是靠表層藻類進行光合作用來維持的。然而這些,都無法解釋在熱液口的生命現象。

        深海熱液口的研究并不是研究極端微生物的始端,早在20世紀初人們就發現在美國黃石公園的熱泉里有各種各樣的微生物存在。在這個接近沸點的水世界里發現了耐熱的生命之后,一個世紀以來不斷有科學家對它們產生研究的興趣,而直到今天應該說熱泉里的生命秘密仍然沒有完全揭開。

        云南騰沖是我國三大地熱之一,騰沖的熱泉流量大溫度高,有的甚至超過95攝氏度,由于高原氣壓關系,當地水的沸點不過如此。今天這里的地下巖漿活動仍很活躍,巨大的熱能通過地下水傳到地表釋放出來。近年來,在這里也發現了許多嗜熱微生物。

        黃力:“年我們去云南騰沖采樣,在一個叫做蛤蟆泉的地方,分離到硫化葉菌。硫化葉菌的生活環境其實是非常有意思的。硫化葉菌要求它的環境溫度,在八十攝氏度左右,或者是高于八十攝氏度 。同時它希望它的這個環境是酸性的,這個微生物叫做嗜酸嗜熱微生物。”

        世界各地的研究發現:硫化葉菌這種神秘的生物,最適宜在80度以上的熱泉中生活,而常識告訴我們蛋白質超過60度就要凝固,而它們在沸騰的泉水中卻自由自在,世代繁衍,安樂定居。那么在熱泉中生命是如何生存的,又怎樣適應這種在人類看來無法忍受的環境的?


      耐熱菌

        黃力:“在我們的研究中找到了一些蛋白,在硫化葉菌細胞里面,我們的這些蛋白能夠覆蓋它們整個遺傳物質。可能是起到保護作用,使這些遺傳物質在高溫下保持穩定。同時我們也發現什么呢?這些蛋白能夠讓細胞里面的一些重要的遺傳物質、遺傳過程,讓它遺傳的活動能夠正常地進行。”

        生物學家的工作使我們認識到在極熱條件下有嗜熱微生物的普遍存在,其實,與之對應的另一個極端,極冷的條件下也是有生命的。

        南極大陸號稱地球的冰箱。1963年前蘇聯東方站曾測到世界最低溫度零下89點2度,在這樣的低溫下,一塊鋼板從空中掉到地上就會摔得粉碎。南大洋終年不化的冰凍海冰和常年刮著的強勁西風,阻礙了海水同空氣之間的熱量交換。

        酷寒使南極一些區域被科學家們稱為不可接近的地區。尤其在南極內陸那里不但最為寒冷而且極為干旱,厚厚的冰蓋下存在著千年凍土。

        上個世紀70年代,美國生物學家維舍尼亞克為了實驗在火星上尋找生命的方法,來到寸草不生的南極內陸峽谷,盡管由于意外他葬身在南極,但他的實驗揭開了南極內陸生物考察的序幕,后來俄羅斯和美國航空航天局的科學家們聯合在南極內陸大峽谷鉆孔,考察永久凍結層,從土壤的中心位置取樣,然后研究是否有生命存活下來的痕跡。

        他們在不久前終于發現了細菌,這表明在零下二十攝氏度的環境中細菌仍然能夠存活。

      除了冷熱的變化,一些有毒化學物質和過量的無害物質都會威脅生命。這是東部非洲一個奇怪的湖,上億年以來,這里似乎一片荒涼,它是由附近的火山噴發后沉積形成的,由于湖中有很高的碳酸鈉濃度,很難相信生命可以在這里存在,而實際上這絳紅色本身就是生命。這大片的暗紅色區域竟也是無數生命組成的杰作。在海邊的鹽池,經常出現這樣壯觀的景象。鹽是人體生理所必需的,然而腎臟所能承受的鹽的濃度一般不超過2%,而海水鹽濃度達3.5%,而經海水進一步濃縮提取的鹽池達15%以上,更是一般生物難以承受的。

        周:“《齊民要術》里面描述了在海灘上的鹽田,發現到一定的時候,這個鹽池就會變紅。其實按現在我們的知識來說呢,就是我們現在認識的嗜鹽菌,里面它在高濃度鹽里面,生活發育都挺好。但是在低濃度的時候,它不長。甚至于它細胞會破裂,會死掉。”

        在我國西部地區有相當數量的大鹽湖。20年來,我們對于鹽湖中生命的現象有了較多的發現,目前為止一共在國際上發表了,在這些鹽湖中找到的3個新的屬,12個新的種。

        馬延和:“像在西藏有一個鹽堿湖叫扎布耶茶卡,它的鹽度也很高,ph值也很高,同時呢,它有很高的氯化鋰濃度,氯化鋰是一種重金屬離子,對一般的生物體是有毒的,但是在這個里面,有非常多,非常豐富的微生物。這種極端微生物有比較強的耐受力來抵抗重金屬離子和鹽堿。”

        這就是奇特的嗜鹽菌,目前自然界的生物中,只有嗜鹽菌有方形甚至還有三角形的細胞結構。現在認為這樣的結構很可能為它適應高鹽濃度的環境供了便利。

        在已知的極端微生物中,最令人們驚奇的恐怕是現在我們看到的是耐輻射奇球菌。如今輻射污染日漸成為威脅人類生存和健康的大敵。而對它來說,人類所懼怕的輻射量對它不會產生絲毫的影響。

        這種生物奇怪的特性讓世界為之震驚,許多人正著重研究它何以具備如此超強的抗輻射能力?

        華躍進:“研究發現,它這種超常的輻射抗性是來自于它高效和準確的dna修復機制。”

        不斷發現的極端生命使我們不得不對我們以前所認知的生命生存條件進行反思,而且這些發現也極大地促進了科學家對進一步挖掘極端環境的積極性。然而這種探索無疑是艱辛的。

        自從認識了海底新型的生態循環之后,人們也在想是不是大陸上也存在著這種非光合作用的系統,由洞穴探險專家和生物專家組成的探險隊來到了美國新墨西哥州的萊特圭拉山洞,這是一處巨型山洞,它在地下綿延60多公里,洞內溫暖而潮濕,溫度達到攝氏20多度,濕悶的空氣使人透不過氣來。以前很少有人這么深入地到達萊特圭拉山洞,洞里的環境還保持著原始狀態,科學家們發現了一些原始微生物活動的線索。

        在洞內一個隧道的巖壁上,有許多奇特的小坑,看起來就像是被酸腐蝕過似的。難道這是原始有機物和硫反應產生的硫酸所形成的嗎。山洞這里的石頭表面都附著一層褐色黏土,事實上這是被腐蝕的結果,科學家們還無法斷定這是一種生物現象還是一種化學現象。

        后來兩名科學家他們在羅馬尼亞的重大發現才使人們了解到大陸上同樣存在著的另類循環系統。一名生物學家和一名地質學家,他們沿著莫里山地下河的隧道漂浮游動,借著手電的光亮,他們看到冒著白氣的水面飄著厚厚的一層乳白色的泡沫,并聞到了一股刺鼻的硫酸味。


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