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        生命極端環(huán)境下的量子特征

        時(shí)間:2023-02-01 理論教育 版權(quán)反饋
        【摘要】:俄細(xì)胞生物物理研究院的團(tuán)隊(duì)用這枚種子種出了一棵水果樹(shù)苗,創(chuàng)下復(fù)活最古老植物種子的紀(jì)錄。英國(guó)千年種子銀行的專(zhuān)家說(shuō),這是驗(yàn)證高等植物生命“韌性”之強(qiáng)最“極端”的例子。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為除了地球,太陽(yáng)系的其他行星沒(méi)有生命存在,但是這次發(fā)現(xiàn)的微生物卻能在如此惡劣的環(huán)境下存活如此長(zhǎng)的時(shí)間,而火星上溫度更低、更穩(wěn)定,因此這類(lèi)生命可能更適合在火星上存活。
        生命極端環(huán)境下的量子特征_生命藏在量子中

        大自然總是呈現(xiàn)出奇特的一面。目前地球上最大的植物應(yīng)是美國(guó)加利福尼亞紅杉國(guó)家公園中一棵綽號(hào)“謝爾曼將軍”的巨大美洲杉,它的樹(shù)干體積約有1500立方米。地球上最高的樹(shù)同樣生長(zhǎng)在美國(guó)加利福尼亞州,這棵綽號(hào)“亥伯龍神”的紅杉高達(dá)115米,此前地球上只有另一棵已經(jīng)倒掉的桉樹(shù)的高度曾經(jīng)超過(guò)它。那棵名叫“羅賓遜”的桉樹(shù)曾經(jīng)長(zhǎng)在澳大利亞維多利亞省的波波山,它在1889年被人發(fā)現(xiàn)時(shí),高度達(dá)到143米。專(zhuān)家相信,從理論上說(shuō)這幾乎是一棵樹(shù)木能夠長(zhǎng)到的極限高度,因?yàn)樵俑叩脑?huà),高處的樹(shù)葉就很難通過(guò)毛細(xì)管作用從根部往上吸水。

        壽命似乎是生命的一種追求,尤其對(duì)人來(lái)說(shuō),但是聰明的人類(lèi)似乎總是在某一方面斗不過(guò)一些生物的。地球最大的有機(jī)生物體是美國(guó)俄勒岡州馬胡爾國(guó)家公園中一種綽號(hào)“巨型蘑菇”的蜜環(huán)菌,這個(gè)學(xué)名為奧氏蜜環(huán)菌的巨型真菌是在1998年被發(fā)現(xiàn)的,它占地965公頃,至少相當(dāng)于1350個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)??茖W(xué)家猜測(cè),它的實(shí)際年齡可能高達(dá)8650歲,所以它也可能是地球上最老的生物之一。地球上最老的樹(shù)是一棵綽號(hào)“普羅米修斯”的美國(guó)狐尾松,它在1964年倒下前,估計(jì)已有5000歲。

        烏龜?shù)膲勖梢赃_(dá)到幾百年,弓頭鯨能存活幾個(gè)世紀(jì),2007年一些阿拉斯加漁民殺死了一只鯨魚(yú),在它體內(nèi)驚奇的發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)年代的手工制品。這只鯨魚(yú)至少生活了117年。龍蝦不會(huì)變老,只會(huì)變大,根據(jù)《吉尼斯世界紀(jì)錄》記載,人們?cè)?977年曾經(jīng)捕獲一只19.95公斤的龍蝦,1926年在緬因州曾經(jīng)捕獲一只23.36公斤的龍蝦,人們不知道這些龍蝦真正的壽命是多少。

        與龍蝦一樣,蛤蚌壽命非常長(zhǎng),年齡越大,體現(xiàn)就越大。它們驚人的長(zhǎng)壽與“緩慢的細(xì)胞復(fù)制過(guò)程”有關(guān),這些蛤蚌一旦到性成熟期,它們體內(nèi)的酶就會(huì)在大約150年內(nèi)保持穩(wěn)定。

        硅質(zhì)海綿擁有僵硬的骨骼,這些生物估計(jì)能夠存活長(zhǎng)達(dá)1.5萬(wàn)年,這就使它們成為地球上最古老的活體動(dòng)物。

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        圖010 一些蛤蚌比美國(guó)還要古老(圖片及參考資料來(lái)源:《默默無(wú)聞六大動(dòng)物壽星,硅質(zhì)海綿可活萬(wàn)年》騰訊科學(xué),2013年7月18日。)

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        圖011 硅質(zhì)海綿能存活1.5萬(wàn)年(圖片及參考資料來(lái)源:《默默無(wú)聞六大動(dòng)物壽星,硅質(zhì)海綿可活萬(wàn)年》騰訊科學(xué),2013年7月18日。)

        說(shuō)到生命的壽命能保持多久的問(wèn)題,2013年5月,來(lái)自阿爾伯塔大學(xué)Catherine La Farge博士等,在加拿大北極高地的淚滴冰川附近探索時(shí)獲得了樣本。400年前的苔蘚植物樣本已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)始“復(fù)活”,揭示了生態(tài)系統(tǒng)如何從長(zhǎng)期的冰川覆蓋中恢復(fù)過(guò)來(lái)。

        2012年2月,俄羅斯考古學(xué)家在西伯利亞科雷馬河的永凍層發(fā)現(xiàn)了冰凍了30000年的種子,科學(xué)家竟然把它復(fù)活了。俄細(xì)胞生物物理研究院的團(tuán)隊(duì)用這枚種子種出了一棵水果樹(shù)苗,創(chuàng)下復(fù)活最古老植物種子的紀(jì)錄。

        一開(kāi)始科學(xué)家將其中一顆種子帶回實(shí)驗(yàn)室,企圖讓它發(fā)芽,結(jié)果失敗了,后來(lái)科學(xué)家利用水果中一種“胎盤(pán)組織”成份,在培養(yǎng)皿中成功令這枚已經(jīng)封凍了30000年的種子復(fù)活。英國(guó)千年種子銀行的專(zhuān)家說(shuō),這是驗(yàn)證高等植物生命“韌性”之強(qiáng)最“極端”的例子。

        對(duì)于細(xì)菌來(lái)說(shuō),似乎在生命耐力方面總是比植物能獲得更長(zhǎng)的壽命,比如科學(xué)家在美國(guó)加利福尼亞州沙漠死亡谷地下鹽晶體中微小的液體腔里,發(fā)現(xiàn)34000年前仍然存活的遠(yuǎn)古細(xì)菌。負(fù)責(zé)該研究的美國(guó)夏威夷大學(xué)副教授布賴(lài)恩·舒伯特(Brian Schubert)說(shuō):“這是一項(xiàng)令人非常驚訝的重大發(fā)現(xiàn)!它們?nèi)源婊钪?,但它們已不使用任何能量游?dòng),不具有繁殖生育能力。它們除了維持生存之外再不做任何事情。”他指出,這種細(xì)菌將收縮變小,并處于冬眠狀態(tài)。它們之所以能夠在34000萬(wàn)年中存活下來(lái)是由于它們依賴(lài)于一種水藻提供食物。紐約賓漢姆頓大學(xué)地質(zhì)系蒂姆·洛文斯廷(Tim Lowenstein)教授稱(chēng),這項(xiàng)研究表明此類(lèi)現(xiàn)象也存在于現(xiàn)代鹽湖,這些細(xì)菌永久性地密封在鹽晶體中,就像被保存在時(shí)間艙里。

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        圖012 冰川下400年前的苔蘚植物已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中重新開(kāi)始生長(zhǎng)(圖片來(lái)源:阿爾伯塔大學(xué)Catherine La Farge博士)

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        圖013 俄羅斯科學(xué)家復(fù)活三萬(wàn)年前種子(圖片來(lái)源:微圖網(wǎng),資料參考來(lái)源:騰訊科技,2012年2月21日)

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        圖014 西伯利亞細(xì)菌(圖片及參考資料來(lái)源:哥本哈根大學(xué)教授埃斯科·韋勒斯利領(lǐng)導(dǎo)的科研小組)

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        圖015 長(zhǎng)壽古菌呈現(xiàn)假死狀態(tài)(圖片及參考資料:《五大古怪生物:古菌呈現(xiàn)假死食骨蟲(chóng)以鯨骨為食》新浪科技,2010年1月05日》

        據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》文章研究,一個(gè)有哥本哈根大學(xué)教授埃斯科·韋勒斯利領(lǐng)導(dǎo)的小組,在俄羅斯西伯利亞地區(qū)永久凍結(jié)帶的一個(gè)地下10米深冰芯中,發(fā)現(xiàn)了一種含有活性DNA的古老細(xì)菌,DNA分析結(jié)果顯示它們的年齡在40萬(wàn)歲到60萬(wàn)歲之間。

        科學(xué)家早就知道,隨著時(shí)間的流逝,所有的活細(xì)胞最終都會(huì)消亡,DNA也會(huì)碎成片段。但是研究人員所收集到的一些細(xì)胞DNA卻能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持完好,證明這些細(xì)胞能更好地延遲老化和死亡過(guò)程,甚至有些有機(jī)體還具有再生能力,可以修復(fù)損傷的細(xì)胞。

        大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為除了地球,太陽(yáng)系的其他行星沒(méi)有生命存在,但是這次發(fā)現(xiàn)的微生物卻能在如此惡劣的環(huán)境下存活如此長(zhǎng)的時(shí)間,而火星上溫度更低、更穩(wěn)定,因此這類(lèi)生命可能更適合在火星上存活。

        另一些研究人員在美國(guó)加利福尼亞死亡谷地底下發(fā)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)古細(xì)菌,它們?cè)谶^(guò)去34000年中僅僅以藻類(lèi)的幾個(gè)細(xì)胞為生。這種細(xì)菌非常微小,長(zhǎng)度大約只有1微米,呈現(xiàn)假死狀態(tài),除了吸吮藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)外,它們幾乎停止了所有的活動(dòng)。它們靠吸吮藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)來(lái)修復(fù)自己慢慢損壞的DNA。一個(gè)小小的藻類(lèi)細(xì)胞就足夠維持古菌生存長(zhǎng)達(dá)1200萬(wàn)年。

        早在20世紀(jì)90年代,人們便已經(jīng)知道,某些微生物可以在海底沉積物中存活數(shù)百萬(wàn)年,該取樣地點(diǎn)都位于北太平洋環(huán)流覆蓋下方洋底以下數(shù)十米深處的淤泥沉積物中。

        2012年5月,丹麥奧胡斯大學(xué)的漢斯·羅伊領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)了深埋在海底下長(zhǎng)達(dá)8600萬(wàn)年之久的一個(gè)細(xì)菌菌落仍然存活著。由于這些微生物生存的環(huán)境極端貧瘠,其繁殖也相應(yīng)地變得極端緩慢,這和其他種類(lèi)的細(xì)菌DNA非常不同,很多細(xì)菌體在短短幾天之內(nèi)就能從一個(gè)分裂成數(shù)百萬(wàn)個(gè),但是這些細(xì)菌大約每數(shù)百年至數(shù)千年才繁殖一次。

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        圖016 8600萬(wàn)年細(xì)菌菌落,數(shù)百年至數(shù)千年才繁殖一次(圖片及參考資料來(lái)源:新浪環(huán)球地理訊,2012年5月24日,圖片由丹麥奧胡斯大學(xué)的漢斯·羅伊領(lǐng)導(dǎo)的科研小組提供。)

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        圖017 Bdelloids會(huì)從其他物種偷取DNA(圖片及參考資料來(lái)源:《默默無(wú)聞六大動(dòng)物壽星,硅質(zhì)海綿可活萬(wàn)年》騰訊科學(xué),2013年7月18日)

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        圖018 迷你“弗蘭肯斯坦”類(lèi)型基因:科學(xué)家現(xiàn)已成功復(fù)活5億年前細(xì)菌基因(圖片來(lái)源:微圖網(wǎng),參考資料來(lái)源:科學(xué)家復(fù)活5億年前細(xì)菌,騰訊科技,2012年7月15日。)

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        圖019 燈塔水母是地球上唯一的“不死生物”(圖片來(lái)源:壹圖網(wǎng))

        Bdelloids是一種生活在淡水中的微生物,離開(kāi)水也能存活幾年時(shí)間,它們8000萬(wàn)年都不會(huì)進(jìn)行交配。許多科學(xué)家都認(rèn)為一個(gè)物種通過(guò)無(wú)性繁殖無(wú)法存活很長(zhǎng)時(shí)間,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們是一種“遺傳嵌合體”,一只Bdelloids就擁有500多個(gè)不同物種的DNA。很顯然,它們從周?chē)业酵鈦?lái)的DNA并且連接到它們自己的DNA上。

        研究人員培養(yǎng)激活了4千萬(wàn)年前密閉在琥珀中蜜蜂體內(nèi)的細(xì)菌后,又有人在2.5億年前的結(jié)晶鹽中找到了處于假死狀態(tài)的細(xì)菌。而美國(guó)佐治亞理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中成功復(fù)活5億年前“細(xì)菌”。研究人員將5億年前細(xì)菌基因注入現(xiàn)代大腸桿菌中,這種“弗蘭肯斯坦”類(lèi)型基因能夠頑強(qiáng)地存活下來(lái),目前該嵌合體大腸桿菌現(xiàn)已繁衍了1000多代。

        科學(xué)家希望發(fā)現(xiàn)這種“遠(yuǎn)古”細(xì)菌是否能夠延續(xù)古老基因方式進(jìn)化,或者出現(xiàn)新的生物體進(jìn)化方式。美國(guó)宇航局天體生物學(xué)博士后貝圖爾·卡卡爾(Betul Kacar)說(shuō):“這非常像倒回和重播生命分子錄音帶,實(shí)驗(yàn)中的新型嵌合體細(xì)胞能夠快速突變,一些細(xì)菌比現(xiàn)代基因更加強(qiáng)壯和健康?!被谶@種現(xiàn)代細(xì)胞體可以從現(xiàn)代生物體中觀察遠(yuǎn)古基因,從而讓我們分析遠(yuǎn)古進(jìn)化軌跡是否能夠重復(fù)進(jìn)行,或者生命體是否能夠適應(yīng)不同的進(jìn)化路徑??栒f(shuō):“這種已改變的生物體并不是完全健康體,或者適應(yīng)于現(xiàn)代進(jìn)化方式,至少在研究初期是這樣的。這種發(fā)生基因改變的生物體在未來(lái)的突變進(jìn)化中將逐漸適應(yīng)環(huán)境。到目前為止這些遠(yuǎn)古基因尚未進(jìn)化突變,而是這種嵌合體細(xì)菌發(fā)現(xiàn)一種新的進(jìn)化軌跡來(lái)增強(qiáng)適應(yīng)性。

        長(zhǎng)生不老是自古以來(lái)人們的夢(mèng)想,但在海洋中的燈塔水母卻實(shí)現(xiàn)了這種愿望,具有“返老還童”的能力,可以說(shuō)掌握著永生不死的奧秘。

        燈塔水母長(zhǎng)約4~5毫米。通常情況下,水母繁殖完下一代后就會(huì)死亡,但燈塔水母性成熟之后卻可以“返老還童”,重新回到幼蟲(chóng)狀態(tài),然后繼續(xù)成長(zhǎng),開(kāi)始另一次生命歷程。從理論上來(lái)說(shuō),燈塔水母可以無(wú)限制地進(jìn)行這種“返老還童”的循環(huán)周期,從而達(dá)到永生不死的狀態(tài)。

        北極生活著能抵御寒冷的北極熊,他們會(huì)在冬天冬眠來(lái)抵御過(guò)度的寒冷。很多生物會(huì)選擇利用低溫冬眠來(lái)減少能量的消耗,用延遲生活節(jié)奏的方法抵御寒冬,根據(jù)最新研究,人似乎也存在這種冬眠機(jī)制。加拿大埃爾斯米爾島的燈蛾毛蟲(chóng)堪稱(chēng)是地球上最極端的耐寒動(dòng)物之一,能在-70℃的低溫狀態(tài)下冬眠,即使它們的血液和任何其他細(xì)胞外液體都處于結(jié)冰狀態(tài),仍能存活下來(lái)。燈蛾毛蟲(chóng)能夠產(chǎn)生抗凍劑來(lái)保護(hù)身體最重要的部分,在極寒的環(huán)境中,它們可以任由自身細(xì)胞的細(xì)胞漿結(jié)成冰,但卻能讓細(xì)胞核和其他細(xì)胞器官處于非結(jié)冰狀態(tài)。

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        圖020 (圖片及參考資料來(lái)源:《南極冰層數(shù)百米下的神秘生物》中華網(wǎng),2010年3月17日,圖片來(lái)源美國(guó)宇航局研究小組。)

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        圖021 南極冰川流溢出的血瀑(圖片來(lái)源:騰訊科技)

        南極有著極端的天氣,只有冬夏兩個(gè)季節(jié),內(nèi)陸冬天最冷的時(shí)候可達(dá)-70℃。美國(guó)宇航局研究小組,在黑暗冰凍的南極200多米冰層下放置攝像機(jī),首次發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)似蝦的生物在水中游動(dòng),同時(shí)還發(fā)現(xiàn)0.3米長(zhǎng)、帶有觸須的水母物種,這是一種類(lèi)似蝦的片腳類(lèi)動(dòng)物。

        這些生物不是從某遠(yuǎn)處海域游過(guò)來(lái)的,因?yàn)樗麄兙嚯x開(kāi)放海域至少19.4公里。目前,科學(xué)家置疑,類(lèi)似復(fù)雜的片腳類(lèi)動(dòng)物是否能夠像一些細(xì)菌能夠在海洋中以化學(xué)物質(zhì)為食。

        南極“泰勒冰川”與海洋隔離150萬(wàn)年以上,在冰蓋下400米封閉著一個(gè)超級(jí)鹽湖,含鹽量是海水的數(shù)倍,在沒(méi)有氧氣與陽(yáng)光的冰川湖泊下竟然發(fā)現(xiàn)有奇特的微生物群落。在夏季,溫度升高后,融化的水流使冰川內(nèi)部露出紅色,這些深紅色海水由于富含鐵元素而形成,該現(xiàn)象被稱(chēng)為“血瀑”。

        科舉家發(fā)現(xiàn)在冰川之下近0.5千米生活著微生物與細(xì)菌,由于冰川封閉,沒(méi)有陽(yáng)光射入,細(xì)菌不是依賴(lài)陽(yáng)光生活,而是依靠硫磺代謝反應(yīng)獲得能量。細(xì)菌利用硫磺化合物作為化學(xué)催化劑導(dǎo)致封閉冰川湖泊中的有機(jī)化合物的能量電子釋放,使圍繞湖泊周?chē)鶐r中的鐵元素瀝濾出來(lái)。研究人員認(rèn)為這些微生物進(jìn)化演變懂得使用硫酸鹽“呼吸”水中含鐵物質(zhì),它們以水中非常少數(shù)量的有機(jī)物質(zhì)為食。說(shuō)到以鐵為生的細(xì)菌,研究者在泰坦尼克號(hào)銹跡斑斑的殘骸上發(fā)現(xiàn)了食銹菌的蹤跡,這些食銹菌會(huì)黏附在鋼鐵和銹斑表面,借助其他微生物的幫助,吞噬沉船的金屬。如果一直腐蝕下去,這些細(xì)菌會(huì)將泰坦尼克號(hào)吞噬得一干二凈。研究者認(rèn)為,這些細(xì)菌可以用來(lái)解釋為什么其他一些海底沉船會(huì)被分解。

        在另一例子中,在南極冰蓋以下約20米深處的一個(gè)叫維達(dá)湖(Lake Vida)鹽水湖中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)湖中的微生物生命與外部世界隔絕了近3000年。維達(dá)湖沒(méi)有陽(yáng)光、缺乏氧氣,高鹽的湖水呈弱酸性,溫度約為-13℃。碳定年法表明,這一不適合生命生存的鹽水湖已經(jīng)存在了超過(guò)2800年。此研究發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系教授彼得·T.多倫(Peter T Doran)說(shuō)“這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了生命的極限條件,湖水本身的低溫、高鹽條件就已經(jīng)是很大的限制,考慮到?jīng)]有太陽(yáng)能和其他大氣物質(zhì)的輸入,湖中環(huán)境對(duì)生命來(lái)說(shuō)極其艱難?!?/p>

        早在2002年,對(duì)維達(dá)湖鹽水的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了古老微生物的存在,然而奇怪的是這些鹽水需要在溫度升高之后才會(huì)出現(xiàn)生命活動(dòng)的跡象。最近的研究發(fā)現(xiàn),維達(dá)湖中存在著以細(xì)菌占主導(dǎo)的、多樣化且代謝活躍的生態(tài)系統(tǒng)。維達(dá)湖位于南極洲的邊緣,為了研究湖中的生命,研究團(tuán)隊(duì)采集了冰芯中的鹽水樣品,結(jié)果發(fā)現(xiàn),化合物和氧化物的含量很低,氫分子的含量則較高。地球化學(xué)分析表明,鹽水和底質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一氧化二氮和氫分子,氫分子可能為微生物提供了必需的能量。

        “泰勒冰川”下鹽水湖與維達(dá)湖中的生態(tài)系統(tǒng)不僅為冰冷極地的生態(tài)學(xué)提供了有價(jià)值的信息,而且提示著在地球大氣層外的其他星球冰冷環(huán)境中,也可能存在著類(lèi)似的生命。

        這些研究表明這種極端惡劣的環(huán)境并非之前所認(rèn)為的沒(méi)有陽(yáng)光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),就無(wú)法孕育生命體的說(shuō)法,而事實(shí)證明一些生命依靠鐵,氫中的能量,做出了生命的循環(huán)與繁殖。這說(shuō)明實(shí)際上這里仍存在著復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu)。我們要問(wèn)那么冰凍的木衛(wèi)一表面之下是否也能存在生命?

        在6~8億年前,地球上幾乎到處都是冰雪覆蓋,這一時(shí)期被稱(chēng)為“雪球地球”。當(dāng)時(shí)的環(huán)境與以上的冰川湖泊形成的條件十分類(lèi)似。被困在冰川之下的湖泊環(huán)境中長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)具有重要意義,在地球之外的其他星體上也存在著類(lèi)似的環(huán)境,目前科學(xué)家知道南極冰川密閉的湖泊中可孕育生存著微生物,那么可以進(jìn)一步推測(cè)類(lèi)似這樣的生命體也可能存活于其他星球極端的生存環(huán)境,也就是說(shuō)某些星球上即使沒(méi)有氧氣和光線,也可能孕育奇特的生命形式。

        2013年5月,科學(xué)家在加拿大北極地區(qū)永久凍土地帶發(fā)現(xiàn)一種細(xì)菌,盡管溫度僅有-15℃,但能保持興旺生長(zhǎng)。奇特的細(xì)菌對(duì)于理解火星或者土衛(wèi)二可能存在的生命提供重要線索。研究負(fù)責(zé)人加拿大麥吉爾大學(xué)的萊爾·懷特和研究小組發(fā)現(xiàn),這種細(xì)菌能夠適應(yīng)寒冷和鹽水環(huán)境,這是由于它們的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、適應(yīng)寒冷的蛋白質(zhì),類(lèi)似防凍劑的高含量化合物。懷特指出,我們從該細(xì)菌特征洞悉太陽(yáng)系其他星球也可能存在的類(lèi)似微生物。這種細(xì)菌生活在鹽水紋理之中,它們之所以能夠幸存下來(lái)是由于鹽阻止紋理中的水結(jié)凍,并且它們?cè)?25℃的永久凍土地。

        永久凍土地帶生活照嗜冷微生物,一些頑強(qiáng)的微生物生存在西伯利亞和南極洲的冰層之下,這里的溫度在-20℃~-5℃之間。智利南極科考隊(duì)近日宣布,他們發(fā)現(xiàn)了一批生存在極端環(huán)境下的微生物,超過(guò)300種,約70%屬于新種類(lèi),包括許多嗜冷菌、嗜鹽菌、嗜酸菌和嗜堿菌。嗜冷菌的最佳生長(zhǎng)環(huán)境在-15℃以下,嗜鹽菌最適合生長(zhǎng)在高濃度鹽水中,嗜酸菌和嗜堿菌則適應(yīng)于極端的PH值環(huán)境。

        除此之外,他們還發(fā)現(xiàn)了大量嗜熱菌和超嗜熱菌,盡管這些微生物終其一生都生活在冰層里,但它們卻更喜歡在50℃以上的環(huán)境中生存,其中一種微生物甚至在95℃時(shí)仍能生存。另一項(xiàng)重大成果是發(fā)現(xiàn)了奇異球菌,它們可能是世界上最強(qiáng)悍的細(xì)菌。這種奇異球菌生活在15米深的極地永久凍土下,能夠承受的γ射線強(qiáng)度比已知其他任何細(xì)菌高5000倍。這種超強(qiáng)抵抗力從何而來(lái)還是個(gè)謎,甚至有人推測(cè)它們來(lái)自太空。對(duì)此科學(xué)家布萊梅表示,它們超強(qiáng)抵抗能力的分子機(jī)制是什么以及這種機(jī)制能在哪些方面得到應(yīng)用,表明這種極端惡劣的環(huán)境并非之前所認(rèn)為的沒(méi)有陽(yáng)光和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),就無(wú)法孕育生命體,但實(shí)際上這里仍存在著復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu)。

        一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)顯示,微生物“Strain121”在實(shí)驗(yàn)室中被加熱到121℃時(shí)仍能照樣生存,即使在130℃的環(huán)境中,這種微生物仍能維持生命,只不過(guò)無(wú)法復(fù)制繁衍。

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        圖022 蠕蟲(chóng)在80℃高溫下生存(圖片及參考資料來(lái)源:《燈塔水母是地球上唯一的“不死生物”》新華網(wǎng),2010年12月1日)

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        圖023 在5000米的海底,英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能承受450℃高溫新種蝦,它們是世界上棲息地深度最深的深海噴口蝦。(圖片及參考資料來(lái)源:《深?;鹕絿娍诂F(xiàn)超級(jí)發(fā)光蝦能承受450℃高溫》新浪科技,2012年01月12日)

        科學(xué)曾經(jīng)發(fā)現(xiàn),細(xì)胞內(nèi)帶有一個(gè)細(xì)胞核的真核生物,沒(méi)有一種能夠在60℃的高溫中幸運(yùn)存活,除了一種生活在海底熱液噴口附近的蠕蟲(chóng)外,這種蠕蟲(chóng)的尾巴通常會(huì)粘附在80℃高溫的熱液噴口巖壁上。

        開(kāi)曼群島海底,數(shù)千只新種蝦環(huán)繞在間歇泉四周,棲息地溫度超過(guò)450℃。

        英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新的深海蝦種群,棲息地深度超過(guò)此前最極端的深?;鹕絿娍诘貐^(qū)發(fā)現(xiàn)的其他任何蝦種群。這種蝦生活在加勒比海海底的沸騰熱泉,水溫可能超過(guò)450℃。

        一種被稱(chēng)作水熊蟲(chóng)的小型無(wú)脊椎動(dòng)物堪稱(chēng)是地球上生命力最頑強(qiáng)的動(dòng)物了。研究顯示,水熊蟲(chóng)在沒(méi)水喝的情況下可以通過(guò)這種“特殊手段”存活120年。

        如圖024中的金屬鹽樣品是美國(guó)威斯康辛大學(xué)史蒂芬角分校的化學(xué)家邁克爾·扎克在一次前往位于加利福尼亞死亡峽谷國(guó)家公園的旅行中收集的。

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        圖024 微生物與礦物質(zhì):沙漠里的生死較量(圖片及參考資料來(lái)源:《科學(xué)工程視覺(jué)挑戰(zhàn)展:螺旋狀聚合物毛束》騰訊科技,2010年02月22日,圖片由美國(guó)化學(xué)家邁克爾·扎克提供。)

        當(dāng)他把水加到這些樣品中時(shí),休眠于此的微生物們蘇醒過(guò)來(lái),在背景中紛紛蠕動(dòng),當(dāng)水分蒸發(fā)完畢后,扎克拍攝了這張照片,捕捉到了光線在新生成晶體上的反射。這種微生物分泌一種化學(xué)物質(zhì),能夠阻止金屬鹽晶體的形成,從而保證自己在高鹽、酸性環(huán)境的生存。

        西班牙和智利的研究人員在智利阿塔卡馬沙漠地下兩米的疏水基底發(fā)現(xiàn)一個(gè)“微生物的綠洲”。

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        圖025 生長(zhǎng)在智利阿塔卡馬沙漠地下兩米疏水基底的微生物(圖片及參考資料來(lái)源:《智利沙漠地下生命禁區(qū)發(fā)現(xiàn)“微生物綠洲”》科技日?qǐng)?bào),2012年02月19日,圖片由西班牙天體生物學(xué)中心提供。)

        該團(tuán)隊(duì)科學(xué)家在這個(gè)沙漠下的“綠洲”發(fā)現(xiàn)了棲息的細(xì)菌和古生菌(原始微生物),西班牙天體生物學(xué)中心研究員維克托解釋說(shuō),微生物得以棲息是因?yàn)檫@里蘊(yùn)含可吸附水分的巖鹽和其他高吸濕化合物,如硬石膏和高氯酸鹽。此外,基底下的微生物易潮解,這意味著它們可以吸收有限空氣中的水分,凝結(jié)于鹽晶體表面,從而形成了幾微米厚的薄膜。這些物種與其他類(lèi)似的在多鹽環(huán)境下生長(zhǎng)的種類(lèi)沒(méi)有什么不同,只是奇特的是,它們竟被發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有任何氧氣或陽(yáng)光的地下2米至3米深處生存。維克托強(qiáng)調(diào),如果火星上有類(lèi)似的微生物或有相似的環(huán)境,在這個(gè)紅色星球上已發(fā)現(xiàn)含鹽水的沉積物,因此其底土有可能存在多鹽的環(huán)境。而這種高濃度的鹽具有雙重作用,既可吸收晶體的水,又可降低冰點(diǎn),使其能夠在零下幾攝氏度到20攝氏度形成薄鹽膜。

        死海是一個(gè)以高鹽度著稱(chēng)的內(nèi)陸海,很多生物無(wú)法生存。最新一項(xiàng)研究顯示,死海并非死亡之海,在貧瘠底部存在著數(shù)十個(gè)噴涌新鮮水的凹坑,這里涌現(xiàn)出新的生命形式,德國(guó)馬克斯-普朗克協(xié)會(huì)海洋微生物學(xué)家丹尼·約內(nèi)斯庫(kù)(Danny Ionescu)是研究小組成員之一,他說(shuō):“2010年,首支死海潛水勘測(cè)隊(duì)發(fā)現(xiàn)死海湖底凹坑涌泉是‘奇特的生命熱點(diǎn)’,這些湖底凹坑覆蓋著薄膜,有時(shí)令人吃驚地聚集著新細(xì)菌物種?!边@些體積微小的細(xì)菌群體聚集在水下涌泉的新鮮水流附近,此前研究人員曾誤將涌出的新鮮水流當(dāng)成死海表面奇特的漣漪。湖泊的高含鹽性意味著像魚(yú)類(lèi)和青蛙等大型生物無(wú)法幸存于死海,但是高濃度鎂的存在性使得死海存在著大量的微生物。2010年死海水下勘測(cè)繪制出湖底凹坑大約有30個(gè),這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)并不存在于地球其他區(qū)域,死海凹坑收集樣本的初步分析顯示涌泉中的細(xì)菌群體存在較大的多樣性,涌泉頂部的巖石覆蓋著綠色生物膜,它可同時(shí)與陽(yáng)光和硫化物發(fā)生反應(yīng),除此之外吞食硫化物的細(xì)菌覆蓋在巖石底部。

        在阿根廷加蘭火山口的狄亞曼特湖研究人員在缺氧的湖水中發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)只活躍的超級(jí)細(xì)菌。狄亞曼特湖含有大量的砷,是安全用水的2萬(wàn)倍,咸度是普通海水的5倍,堿度非常高,水溫常常處于攝氏零度以下,不會(huì)結(jié)冰。細(xì)菌的DNA已經(jīng)變異,可以承受高海拔稀薄的氧氣及高紫外線輻射。該情況透露了外星生命的可能性,這群細(xì)菌的棲息環(huán)境類(lèi)似遠(yuǎn)古時(shí)代的地球,當(dāng)時(shí)能呼吸的生物尚未得到地球大氣層包覆的保護(hù)。從理論上來(lái)說(shuō),如果這些細(xì)菌可以在這種環(huán)境中存活,那么它們也可以在類(lèi)似火星的環(huán)境中生存。

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