王大虎

王大虎:生命极端环境下的量子特征

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大自然总是呈现出奇特的一面。目前地球上最大的植物应是美国加利福尼亚红杉国家公园中一棵绰号“谢尔曼将军”的巨大美洲杉,它的树干体积约有1500立方米。地球上最高的树同样生长在美国加利福尼亚州,这棵绰号“亥伯龙神”的红杉高达115米,此前地球上只有另一棵已经倒掉的桉树的高度曾经超过它。那棵名叫“罗宾逊”的桉树曾经长在澳大利亚维多利亚省的波波山,它在1889年被人发现时,高度达到143米。专家相信,从理论上说这几乎是一棵树木能够长到的极限高度,因为再高的话,高处的树叶就很难通过毛细管作用从根部往上吸水。

寿命似乎是生命的一种追求,尤其对人来说,但是聪明的人类似乎总是在某一方面斗不过一些生物的。地球最大的有机生物体是美国俄勒冈州马胡尔国家公园中一种绰号“巨型蘑菇”的蜜环菌,这个学名为奥氏蜜环菌的巨型真菌是在19X被发现的,它占地965公顷,至少相当于1350个标准足球场。科学家猜测,它的实际年龄可能高达8650岁,所以它也可能是地球上最老的生物之一。地球上最老的树是一棵绰号“普罗米修斯”的美国狐尾松,它在1964年倒下前,估计已有5000岁。

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乌龟的寿命可以达到几百年,弓头鲸能存活几个世纪,2007年一些阿拉斯加渔民杀死了一只鲸鱼,在它体内惊奇的发现了另一个年代的手工制品。这只鲸鱼至少生活了117年。龙虾不会变老,只会变大,根据《吉尼斯世界纪录》记载,人们在1977年曾经捕获一只19.95公斤的龙虾,1926年在缅因州曾经捕获一只23.36公斤的龙虾,人们不知道这些龙虾真正的寿命是多少。

与龙虾一样,蛤蚌寿命非常长,年龄越大,体现就越大。它们惊人的长寿与“缓慢的细胞复制过程”有关,这些蛤蚌一旦到性成熟期,它们体内的酶就会在大约150年内保持稳定。

硅质海绵拥有僵硬的骨骼,这些生物估计能够存活长达1.5万年,这就使它们成为地球上最古老的活体动物。

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图010 一些蛤蚌比美国还要古老(图片及参考资料来源:《默默无闻六大动物寿星,硅质海绵可活万年》腾讯科学,2013年7月18日。)

图011 硅质海绵能存活1.5万年(图片及参考资料来源:《默默无闻六大动物寿星,硅质海绵可活万年》腾讯科学,2013年7月18日。)

说到生命的寿命能保持多久的问题,2013年5月,来自阿尔伯塔大学Catherine La Farge博士等,在加拿大北极高地的泪滴冰川附近探索时获得了样本。400年前的苔藓植物样本已经在实验室条件下开始“复活”,揭示了生态系统如何从长期的冰川覆盖中恢复过来。

2012年2月,俄罗斯考古学家在西伯利亚科雷马河的永冻层发现了冰冻了30000年的种子,科学家竟然把它复活了。俄细胞生物物理研究院的团队用这枚种子种出了一棵水果树苗,创下复活最古老植物种子的纪录。

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一开始科学家将其中一颗种子带回实验室,企图让它发芽,结果失败了,后来科学家利用水果中一种“X组织”成份,在培养皿中成功令这枚已经封冻了30000年的种子复活。英国千年种子银行的专家说,这是验证高等植物生命“韧性”之强最“极端”的例子。

对于细菌来说,似乎在生命耐力方面总是比植物能获得更长的寿命,比如科学家在美国加利福尼亚州沙漠死亡谷地下盐晶体中微小的液体腔里,发现34000年前仍然存活的远古细菌。负责该研究的美国夏威夷大学副教授布赖恩·舒伯特(Brian Schubert)说:“这是一项令人非常惊讶的重大发现!它们仍存活着,但它们已不使用任何能量游动,不具有繁殖生育能力。它们除了维持生存之外再不做任何事情。”他指出,这种细菌将收缩变小,并处于冬眠状态。它们之所以能够在34000万年中存活下来是由于它们依赖于一种水藻提供食物。纽约宾汉姆顿大学地质系蒂姆·洛文斯廷(Tim Lowenstein)教授称,这项研究表明此类现象也存在于现代盐湖,这些细菌永久性地密封在盐晶体中,就像被保存在时间舱里。

图012 冰川下400年前的苔藓植物已经在实验室中重新开始生长(图片来源:阿尔伯塔大学Catherine La Farge博士)

图013 俄罗斯科学家复活三万年前种子(图片来源:微图网,资料参考来源:腾讯科技,2012年2月21日)

图014 西伯利亚细菌(图片及参考资料来源:哥本哈根大学教授埃斯科·韦勒斯利领导的科研小组)

图015 长寿古菌呈现假死状态(图片及参考资料:《五大古怪生物:古菌呈现假死食骨虫以鲸骨为食》新浪科技,2010年1月05日》

据英国《新科学家》文章研究,一个有哥本哈根大学教授埃斯科·韦勒斯利领导的小组,在俄罗斯西伯利亚地区永久冻结带的一个地下10米深冰芯中,发现了一种含有活性DNA的古老细菌,DNA分析结果显示它们的年龄在40万岁到60万岁之间。

科学家早就知道,随着时间的流逝,所有的活细胞最终都会消亡,DNA也会碎成片段。但是研究人员所收集到的一些细胞DNA却能在很长时间内保持完好,证明这些细胞能更好地延迟老化和死亡过程,甚至有些有机体还具有再生能力,可以修复损伤的细胞。

大多数科学家认为除了地球,太阳系的其他行星没有生命存在,但是这次发现的微生物却能在如此恶劣的环境下存活如此长的时间,而火星上温度更低、更稳定,因此这类生命可能更适合在火星上存活。

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另一些研究人员在美国加利福尼亚死亡谷地底下发现了一种远古细菌,它们在过去34000年中仅仅以藻类的几个细胞为生。这种细菌非常微小,长度大约只有1微米,呈现假死状态,除了吸吮藻类的营养外,它们几乎停止了所有的活动。它们靠吸吮藻类的营养来修复自己慢慢损坏的DNA。一个小小的藻类细胞就足够维持古菌生存长达1200万年。

早在20世纪90年代,人们便已经知道,某些微生物可以在海底沉积物中存活数百万年,该取样地点都位于北太平洋环流覆盖下方洋底以下数十米深处的淤泥沉积物中。

2012年5月,丹麦奥胡斯大学的汉斯·罗伊领导的小组发现了深埋在海底下长达8600万年之久的一个细菌菌落仍然存活着。由于这些微生物生存的环境极端贫瘠,其繁殖也相应地变得极端缓慢,这和其他种类的细菌DNA非常不同,很多细菌体在短短几天之内就能从一个分裂成数百万个,但是这些细菌大约每数百年至数千年才繁殖一次。

图016 8600万年细菌菌落,数百年至数千年才繁殖一次(图片及参考资料来源:新浪环球地理讯,2012年5月24日,图片由丹麦奥胡斯大学的汉斯·罗伊领导的科研小组提供。)

图017 Bdelloids会从其他物种偷取DNA(图片及参考资料来源:《默默无闻六大动物寿星,硅质海绵可活万年》腾讯科学,2013年7月18日)

图018 迷你“弗兰肯斯坦”类型基因:科学家现已成功复活5亿年前细菌基因(图片来源:微图网,参考资料来源:科学家复活5亿年前细菌,腾讯科技,2012年7月15日。)

图019 灯塔水母是地球上唯一的“不死生物”(图片来源:壹图网)

Bdelloids是一种生活在淡水中的微生物,离开水也能存活几年时间,它们8000万年都不会进行X。许多科学家都认为一个物种通过无性繁殖无法存活很长时间,科学家们发现它们是一种“遗传嵌合体”,一只Bdelloids就拥有500多个不同物种的DNA。很显然,它们从周围找到外来的DNA并且连接到它们自己的DNA上。

研究人员培养激活了4千万年前密闭在琥珀中蜜蜂体内的细菌后,又有人在2.5亿年前的结晶盐中找到了处于假死状态的细菌。而美国佐治亚理工学院实验室在一项实验中成功复活5亿年前“细菌”。研究人员将5亿年前细菌基因注入现代大肠杆菌中,这种“弗兰肯斯坦”类型基因能够顽强地存活下来,目前该嵌合体大肠杆菌现已繁衍了1000多代。

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科学家希望发现这种“远古”细菌是否能够延续古老基因方式进化,或者出现新的生物体进化方式。美国宇航局天体生物学博士后贝图尔·卡卡尔(Betul Kacar)说:“这非常像倒回和重播生命分子录音带,实验中的新型嵌合体细胞能够快速突变,一些细菌比现代基因更加强壮和健康。”基于这种现代细胞体可以从现X物体中观察远古基因,从而让我们分析远古进化轨迹是否能够重复进行,或者生命体是否能够适应不同的进化路径。卡卡尔说:“这种已改变的生物体并不是完全健康体,或者适应于现代进化方式,至少在研究初期是这样的。这种发生基因改变的生物体在未来的突变进化中将逐渐适应环境。到目前为止这些远古基因尚未进化突变,而是这种嵌合体细菌发现一种新的进化轨迹来增强适应性。

长生不老是自古以来人们的梦想,但在海洋中的灯塔水母却实现了这种愿望,具有“返老还童”的能力,可以说掌握着永生不死的奥秘。

灯塔水母长约4~5毫米。通常情况下,水母繁殖完下一代后就会死亡,但灯塔水母性成熟之后却可以“返老还童”,重新回到幼虫状态,然后继续成长,开始另一次生命历程。从理论上来说,灯塔水母可以无限制地进行这种“返老还童”的循环周期,从而达到永生不死的状态。

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