王大虎

王大虎:极端冷热下的生命

王大虎

北极生活着能抵御寒冷的北极熊,他们会在冬天冬眠来抵御过度的寒冷。很多生物会选择利用低温冬眠来减少能量的消耗,用延迟生活节奏的方法抵御寒冬,根据最新研究,人似乎也存在这种冬眠机制。加拿大埃尔斯米尔岛的灯蛾毛虫堪称是地球上最极端的耐寒动物之一,能在-70℃的低温状态下冬眠,即使它们的血液和任何其他细胞外液体都处于结冰状态,仍能存活下来。灯蛾毛虫能够产生抗冻剂来保护身体最重要的部分,在极寒的环境中,它们可以任由自身细胞的细胞浆结成冰,但却能让细胞核和其他细胞器官处于非结冰状态。

图020 (图片及参考资料来源:《南极冰层数百米下的神秘生物》中华网,2010年3月17日,图片来源美国宇航局研究小组。)

图021 南极冰川X出的血瀑(图片来源:腾讯科技)

南极有着极端的天气,只有冬夏两个季节,内陆冬天最冷的时候可达-70℃。美国宇航局研究小组,在黑暗冰冻的南极200多米冰层下放置摄像机,首次发现一种类似虾的生物在水中游动,同时还发现0.3米长、带有触须的水母物种,这是一种类似虾的片脚类动物。

这些生物不是从某远处海域游过来的,因为他们距离开放海域至少19.4公里。目前,科学家置疑,类似复杂的片脚类动物是否能够像一些细菌能够在海洋中以化学物质为食。

南极“泰勒冰川”与海洋隔离150万年以上,在冰盖下400米封闭着一个超级盐湖,含盐量是海水的数倍,在没有氧气与阳光的冰川湖泊下竟然发现有奇特的微生物X落。在夏季,温度升高后,融化的水流使冰川内部露出红色,这些深红色海水由于富含铁元素而形成,该现象被称为“血瀑”。

科举家发现在冰川之下近0.5千米生活着微生物与细菌,由于冰川封闭,没有阳光X,细菌不是依赖阳光生活,而是依靠硫磺代谢反应获得能量。细菌利用硫磺化合物作为化学催化剂导致封闭冰川湖泊中的有机化合物的能量电子释放,使围绕湖泊周围基岩中的铁元素沥滤出来。研究人员认为这些微生物进化演变懂得使用X盐“呼吸”水中含铁物质,它们以水中非常少数量的有机物质为食。说到以铁为生的细菌,研究者在泰坦尼克号锈迹斑斑的残骸上发现了食锈菌的踪迹,这些食锈菌会黏附在钢铁和锈斑表面,借助其他微生物的帮助,吞噬沉船的金属。如果一直腐蚀下去,这些细菌会将泰坦尼克号吞噬得一干二净。研究者认为,这些细菌可以用来解释为什么其他一些海底沉船会被分解。

在另一例子中,在南极冰盖以下约20米深处的一个叫维达湖(Lake Vida)盐水湖中,科学家发现湖中的微生物生命与外部世界隔绝了近3000年。维达湖没有阳光、缺乏氧气,高盐的湖水呈弱酸性,温度约为-13℃。碳定年法表明,这一不适合生命生存的盐水湖已经存在了超过2800年。此研究发表于《美国科学院院刊》上。美国伊利诺伊大学地球与环境科学系教授彼得·T.多伦(Peter T Doran)说“这一发现扩展了生命的极限条件,湖水本身的低温、高盐条件就已经是很大的限制,考虑到没有太阳能和其他大气物质的输入,湖中环境对生命来说极其艰难。”

王大虎
王大虎

王大虎

早在2002年,对维达湖盐水的研究已经发现了古老微生物的存在,然而奇怪的是这些盐水需要在温度升高之后才会出现生命活动的迹象。最近的研究发现,维达湖中存在着以细菌占主导的、多样化且代谢活跃的生态系统。维达湖位于南极洲的边缘,为了研究湖中的生命,研究团队采集了冰芯中的盐水样品,结果发现,化合物和氧化物的含量很低,氢分子的含量则较高。地球化学分析表明,盐水和底质之间的化学反应会产生一氧化二氮和氢分子,氢分子可能为微生物提供了必需的能量。

“泰勒冰川”下盐水湖与维达湖中的生态系统不仅为冰冷极地的生态学提供了有价值的信息,而且提示着在地球大气层外的其他星球冰冷环境中,也可能存在着类似的生命。

这些研究表明这种极端恶劣的环境并非之前所认为的没有阳光和营养物质,就无法孕育生命体的说法,而事实证明一些生命依靠铁,氢中的能量,做出了生命的循环与繁殖。这说明实际上这里仍存在着复杂的生命结构。我们要问那么冰冻的木卫一表面之下是否也能存在生命?

在6~8亿年前,地球上几乎到处都是冰雪覆盖,这一时期被称为“雪球地球”。当时的环境与以上的冰川湖泊形成的条件十分类似。被困在冰川之下的湖泊环境中长达数百万年。这项发现具有重要意义,在地球之外的其他星体上也存在着类似的环境,目前科学家知道南极冰川密闭的湖泊中可孕育生存着微生物,那么可以进一步推测类似这样的生命体也可能存活于其他星球极端的生存环境,也就是说某些星球上即使没有氧气和光线,也可能孕育奇特的生命形式。

2013年5月,科学家在加拿大北极地区永久冻土地带发现一种细菌,尽管温度仅有-15℃,但能保持兴旺生长。奇特的细菌对于理解火星或者土卫二可能存在的生命提供重要线索。研究负责人加拿大麦吉尔大学的莱尔·怀特和研究小组发现,这种细菌能够适应寒冷和盐水环境,这是由于它们的细胞结构、适应寒冷的蛋白质,类似防冻剂的高含量化合物。怀特指出,我们从该细菌特征洞悉太阳系其他星球也可能存在的类似微生物。这种细菌生活在盐水纹理之中,它们之所以能够幸存下来是由于盐阻止纹理中的水结冻,并且它们在-25℃的永久冻土地。

王大虎

永久冻土地带生活照嗜冷微生物,一些顽强的微生物生存在西伯利亚和南极洲的冰层之下,这里的温度在-20℃~-5℃之间。智利南极科考队近日宣布,他们发现了一批生存在极端环境下的微生物,超过300种,约70%属于新种类,包括许多嗜冷菌、嗜盐菌、嗜酸菌和嗜碱菌。嗜冷菌的最佳生长环境在-15℃以下,嗜盐菌最适合生长在高浓度盐水中,嗜酸菌和嗜碱菌则适应于极端的PH值环境。

除此之外,他们还发现了大量嗜热菌和超嗜热菌,尽管这些微生物终其一生都生活在冰层里,但它们却更喜欢在50℃以上的环境中生存,其中一种微生物甚至在95℃时仍能生存。另一项重大成果是发现了奇异球菌,它们可能是世界上最强悍的细菌。这种奇异球菌生活在15米深的极地永久冻土下,能够承受的γ射线强度比已知其他任何细菌高5000倍。这种超强抵抗力从何而来还是个谜,甚至有人推测它们来自太空。对此科学家布莱梅表示,它们超强抵抗能力的分子机制是什么以及这种机制能在哪些方面得到应用,表明这种极端恶劣的环境并非之前所认为的没有阳光和营养物质,就无法孕育生命体,但实际上这里仍存在着复杂的生命结构。

一项实验显示,微生物“Strain121”在实验室中被加热到121℃时仍能照样生存,即使在130℃的环境中,这种微生物仍能维持生命,只不过无法复制繁衍。

图022 蠕虫在80℃高温下生存(图片及参考资料来源:《灯塔水母是地球上唯一的“不死生物”》新华网,2010年12月1日)

图023 在5000米的海底,英国科学家发现了能承受450℃高温新种虾,它们是世界上栖息地深度最深的深海喷口虾。(图片及参考资料来源:《深海火山喷口现超级发光虾能承受450℃高温》新浪科技,2012年01月12日)

科学曾经发现,细胞内带有一个细胞核的真核生物,没有一种能够在60℃的高温中X存活,除了一种生活在海底热液喷口附近的蠕虫外,这种蠕虫的尾巴通常会粘附在80℃高温的热液喷口岩壁上。

开曼X岛海底,数千只新种虾环绕在间歇泉四周,栖息地温度超过450℃。

英国科学家发现一种新的深海虾种X,栖息地深度超过此前最极端的深海火山喷口地区发现的其他任何虾种X。这种虾生活在加勒比海海底的沸腾热泉,水温可能超过450℃。

王大虎

耐旱、耐盐的生命体

一种被称作水熊虫的小型无脊椎动物堪称是地球上生命力最顽强的动物了。研究显示,水熊虫在没水喝的情况下可以通过这种“特殊手段”存活1X。

如图024中的金属盐样品是美国威斯康辛大学史蒂芬角分校的化学家迈克尔·扎克在一次前往位于加利福尼亚死亡峡谷国家公园的旅行中收集的。

图024 微生物与矿物质:沙漠里的生死较量(图片及参考资料来源:《科学工程视觉挑战展:螺旋状聚合物毛束》腾讯科技,2010年02月22日,图片由美国化学家迈克尔·扎克提供。)

当他把水加到这些样品中时,休眠于此的微生物们苏醒过来,在背景中纷纷蠕动,当水分蒸发完毕后,扎克拍摄了这张照片,捕捉到了光线在新生成晶体上的反射。这种微生物分泌一种化学物质,能够阻止金属盐晶体的形成,从而保证自己在高盐、酸性环境的生存。

西班牙和智利的研究人员在智利阿塔卡马沙漠地下两米的疏水基底发现一个“微生物的绿洲”。

图025 生长在智利阿塔卡马沙漠地下两米疏水基底的微生物(图片及参考资料来源:《智利沙漠地下生命禁区发现“微生物绿洲”》科技日报,2012年02月19日,图片由西班牙天体生物学中心提供。)

王大虎

该团队科学家在这个沙漠下的“绿洲”发现了栖息的细菌和古生菌(原始微生物),西班牙天体生物学中心研究员维克托解释说,微生物得以栖息是因为这里蕴含可吸附水分的岩盐和其他高吸湿化合物,如硬石膏和高氯酸盐。此外,基底下的微生物易潮解,这意味着它们可以吸收有限空气中的水分,凝结于盐晶体表面,从而形成了几微米厚的薄膜。这些物种与其他类似的在多盐环境下生长的种类没有什么不同,只是奇特的是,它们竟被发现在没有任何氧气或阳光的地下2米至3米深处生存。维克托强调,如果火星上有类似的微生物或有相似的环境,在这个红色星球上已发现含盐水的沉积物,因此其底土有可能存在多盐的环境。而这种高浓度的盐具有双重作用,既可吸收晶体的水,又可降低冰点,使其能够在零下几摄氏度到20摄氏度形成薄盐膜。

死海是一个以高盐度著称的内陆海,很多生物无法生存。最新一项研究显示,死海并非死亡之海,在贫瘠底部存在着数十个喷涌新鲜水的凹坑,这里涌现出新的生命形式,德国马克斯-普朗克协会海洋微生物学家丹尼·约内斯库(Danny Ionescu)是研究小组成员之一,他说:“2010年,首支死海潜水勘测队发现死海湖底凹坑X是‘奇特的生命热点’,这些湖底凹坑覆盖着薄膜,有时令人吃惊地聚集着新细菌物种。”这些体积微小的细菌X体聚集在水下X的新鲜水流附近,此前研究人员曾误将X的新鲜水流当成死海表面奇特的涟漪。湖泊的高含盐性意味着像鱼类和青蛙等大型生物无法幸存于死海,但是高浓度镁的存在性使得死海存在着大量的微生物。2010年死海水下勘测绘制出湖底凹坑大约有30个,这种地质结构并不存在于地球其他区域,死海凹坑收集样本的初步分析显示X中的细菌X体存在较大的多样性,X顶部的岩石覆盖着绿色生物膜,它可同时与阳光和硫化物发生反应,除此之外吞食硫化物的细菌覆盖在岩石底部。

在阿根廷加兰火山口的狄亚曼特湖研究人员在缺氧的湖水中发现数百万只活跃的超级细菌。狄亚曼特湖含有大量的砷,是安全用水的2万倍,咸度是普通海水的5倍,碱度非常高,水温常常处于摄氏零度以下,不会结冰。细菌的DNA已经变异,可以承受高海拔稀薄的氧气及高紫外线辐射。该情况透露了外星生命的可能性,这X细菌的栖息环境类似远古时代的地球,当时能呼吸的生物尚未得到地球大气层包覆的保护。从理论上来说,如果这些细菌可以在这种环境中存活,那么它们也可以在类似火星的环境中生存。

 

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注