王大虎

王大虎:能够生存于太空环境下的生命

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科学家们在英国一条河流中发现了通常生活在高空中的细菌种类,这种细菌名为“同温层芽孢杆菌”,其通常存活于距离地面20英里(32公里)的高空。在河中发现它们可能是因为大气循环被带下来的。这一大气循环让水汽上升,并再次落下。这种生命力顽强的特殊细菌可以被用在微生物燃料电池(MFC)当中,用以将废水转变为电力和洁净水。

欧洲航天局发表公报说,为了探寻太空中生命存在的迹象,该机构在国际空间站的“哥伦布”实验舱内进行了一系列实验,其中包括在舱外悬挂12个手提箱大小的盒子。这些盒子里被放入664种生物和生物化学样品,观测时间为期18个月。研究人员发现一些生物存活下来,比如水熊、卤虫和一种多足摇蚊的幼虫,水熊能够继续存活,其中适应能力最强是地衣植物丽石黄衣。

生物如果想适应太空生活,不仅仅要面临着恶劣的环境,而且最难以忍受的应该是太空辐射了。美国科学家已破译了“超级细菌”的全部基因的遗传密码。“超级细菌”名叫异常球菌,已有20亿岁的高龄,是地球上存在的最早的生命形式。它以超强的抗辐射能力而被誉为“世上最坚韧的生物体”,即使原子弹爆炸也奈何不了它。“超级细菌”可用于保护核设施附近的环境,解除重金属、放射性核废料和其他有害物质对土壤和地下水的侵蚀。

在一般的情况下,人在5戈瑞(辐射强度的计量单位)的辐射下只能存活1小时(广岛和长崎原子弹爆炸的辐射剂量即相当于10戈瑞);普通细菌2000~5000戈瑞的辐射下也会全部死亡;但是从2003年起,X农业科学院微生物应用研究所在科技部支持下,对X高放射性污染土壤进行了耐辐射微生物资源研究。获得了耐10000~30000戈瑞辐射的各类细菌、放线菌、真菌(含酵母菌),并初步确定耐辐射微生物新科1个,新属10个,新种20多个。其中耐辐射放线菌和耐辐射真菌是世界上首次被发现和分离出来的。

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美国俄勒冈州大学科学家从该州山区海拔1524米左右的熔岩管内的冰中发现了细菌,这些细菌以橄榄石中的铁为食,能够在氧量较低、温度接近零度和完全没有有机食物存在情况下生存。在火星岩石中,科学家同样发现了橄榄石,这次发现的细菌拥有惊人的生存能力,而火星环境与其非常类似,能够在类似火星的环境下繁衍生息。

科学家证实,经过长时间的进化,这种细菌能够适应严酷的生存环境。在室温和正常的氧水平条件下,这种细菌以糖等有机物质为食。在移除这些食物同时将温度降至接近零度和降低氧水平后,这种细菌开始以在熔岩管中发现的橄榄石作为能量之源。橄榄石是存在于地球和火星火山岩中的常见矿物。火星地下可能存在类似环境,细菌能够在这种环境下生存。科学家曾对来自火星的一颗陨石进行分析,结果发现了细菌新陈代谢的迹象。

大虎说事
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目前,微生物可以通过吞噬硫化物进行生存已经被证实。个体的大小只有千万分之一米的长度。而且他们的形状和X落显示出并不一致的特征。根据相关的科学家介绍:在这些微生物化石上还检测到了铁和硫的化合物,这可通过硫和X盐代谢的产生。

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而嗜硫细菌在今天的地球上仍然是非常普遍的,我们可以在臭水沟或者土壤中找到它们,也可以在更加极端的环境中生存,例如深海热泉特殊生态系统。从这个角度可以推测,火星上也存在着如此极端恶劣的环境,同样有理由想象,或许在地球上,一些微生物可以以火山喷发出的硫化物分子为能量来源而生存。从本质上讲,它们“食用”这些硫化物就相当于人类呼吸氧气。那么在该星球大气层中探测到硫化物分子,将有助于判断该星球是否有生命存在。

如果这种“影子生物圈”的确存在——生命真的在地球上进化过不止一次,这将表明生命并不是如此的特别,它可以相当容易地扎根于某个地方。这样一来,宇宙中其他世界存在生命的几率将大大增加,这拓宽了科学家对各种新的可能性的认识,表明生命能够以比以前想象的更多形式存在,生活在更为广泛的地方。

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我们前面提到的很多在极端环境下生活的细菌,被列入古细菌的行列之中。古细菌常生活于热泉水、缺氧湖底、盐水湖等极端环境中的原核生物。具有一些独特的生化性质,如膜脂由醚键而不是酯键连接。在能量产生与新陈代谢方面与真细菌有许多相同之处,而复制、转录和翻译则更接近真核生物。古核生物与真核生物可能共有一个由真细菌的祖先歧化而来的共同祖先,现今最古老的生物X,为地球原始大气缺氧时X存下来的活化石,为单细胞生物,并无真正的核。染色体含有组蛋白,RNA聚合酶组成比细菌的复杂,翻译时以甲硫氨酸为蛋白质合成的起始氨基酸,细胞壁中无肽聚糖,不同于真细菌,核糖体蛋白与真核细胞的类似。许多种类生活在极端严酷的环境中,与真核生物、原核生物并列构成现今生物三大进化谱系。

古细菌多生活在极端的生态环境中,具有原核生物的某些特征,如无核膜及内膜系统;具有环状DNA结构以及细胞产能、也有真核生物的特征,如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白;此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征,如:细胞膜中的脂类是不可皂化的;细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁酸,D型氨基酸等。

 

图027 古细菌(图片来源:微图网)

 

图028 古细菌(图片来源:微图网)

古菌细胞有各种形状,如球形、杆形、螺旋形、叶状或方形,它们具有多种代谢类型。值得注意的是,盐杆菌可以利用光能制造ATP,尽管古菌不能像其他利用光能的生物一样利用电子链传导实现光合作用。一些人认为真核生物起源于一个古菌和细菌的融合,二者分别成为细胞核和细胞质。这解释了很多基因上的相似性,但在解释细胞结构上存在困难。

以上很多事实说明,生物体会以各种方式生活在极端环境之中,其中包含大量的多细胞生物,而古细菌在极端环境下更具有代表性,古细菌分为如下几种:

极端嗜热菌:能生长在90℃以上的高温环境。有的最适宜生长温度为100℃,80℃以下即失活,在意大利海底发现的一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适生长温度为98℃,降至84℃即停止生长;美国的J.A.Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广,多为异养菌,其中许多能将硫氧化以取得能量。

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嗜盐细菌:它能在极端地盐环境下生长和繁殖,特别是在天然地盐湖和太阳蒸发盐池中生存。由渗透势原理可知,高盐溶液中的细胞将失去更多的水分,会变成脱水细胞。而嗜盐细菌可产生大量的内溶质或保留从外部取得溶质的方式来维持自身的生存,如嗜盐杆菌在其细胞质内浓缩了高浓度的氯化钾,其中有一种酶只有在高浓度的氯化钾中,才有活性,才能发挥其功能。而与环境中盐类接触的盐杆菌,其细胞质中的蛋白质需要有高浓度氯化钠才能发挥作用。这是古细菌种的一种。

极端嗜酸菌能生活在pH值1以下的环境中,往往也是嗜高温菌,生活在火山地区的酸性热水中,能氧化硫,X作为代谢产物排出体外。

极端嗜碱菌:生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境PH值可达11.5以上,最适PH值为8~10。

产甲烷菌:是严格厌氧的生物,能利用CO2使H2氧化,生成甲烷,同时释放能量。CO2+4H2→CH4+2H2O+能量。

由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处,如:高温、缺氧,而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性,它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态。

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