极端环境中的生命

极端环境中的生命

研究背景及意义

作为大自然的宠儿，生命以其独特的自我繁殖能力、对环境的适应与改造能力等特性区别于其他无生命的物体，存在于这颗伟大的星球。生命无处不在，从茂密的森林到无垠的草原，从大气层到海洋水体，从深海热泉到极地冰川，从万米高空到千米地下，到处都存在着生命的痕迹。

对与生命的定于正随着科学发现与研究而不断的延伸，很多极端环境下的生命正越来越多的被科学家们所发现。极端环境中的生物可以说是生命的奇迹。这些生物体现了生命进化历程中的丰富信息，对与它们的研究可探索生命对于环境的极限适应能力，界定生物圈的“边界”，这些生物是生物遗传和功能多样性最为丰富的宝藏。对于地球生命的研究，特别是对于极端环境中的生命的研究，对于人类了解地球生命的起源及推测可能的外星生命形式具有重要意义。此外通过研究极端环境生物的基本生物学特点及适应机理，对于阐明生物多样性形成的机制和动力、认识生命与环境的相互作用、尤其是与地球化学变化之间的关系具有极为重要的意义，同时也可将极端环境生物的特殊生物特性应用于生物技术产业中，为人类的健康与发展牟利。

研究现状

地球上多样的生物种类中，大多数生物都对其生存环境有一定要求，超出这个要求就不能存活。但有一些生物却可以在极热、极寒、极咸、极酸等常规生物难以生存的极端环境中生存、繁殖，这类生物便被称为极端环境生物。这些生活在极端环境下的生物，由于其奇特的生活环境，造成其在分子组成、物理化学性能、酶特性及代谢功能等方面均不同于其它生物。

下面介绍几种极端环境下的生物及其特性：

1.海底热泉中的嗜热菌

1997年,一种被称作“延胡索酸火叶菌”的细菌在大西洋底部3650米深处的热泉发现，其能在高达113℃的高温下生存。很快这一被认为是生命极限的温度随着越来越多的嗜热菌的发现而被刷新。学生物的同学都知道，组成生命的常见蛋白质在100℃下几分钟就会变性失去活力。然而这些嗜热菌却可以在如此高温下繁殖生长，必然有其特殊性。科学家们发现，嗜热菌能够在高温下存活有一下几点原因：（1）其细胞质膜中的类脂含量与种类能伴随温度发生变化以适应高温环境；（2）很多重要的代谢产物能够迅速合成；（3）嗜热菌蛋白质的热稳定性高于其它生物。

事实上，生活在海底热泉周围的不止这些嗜热菌，以这些嗜热菌为基础在这一“生命的禁区”生活着一大批生物，甚至形成了独特的生态系统。伴随着温度的变化，这些生物在热泉喷口处呈环带状分布。在喷口附近水温60至120摄氏度处，生活着大量的嗜热菌种；水温20至50摄氏度处，生活着大量的蠕虫动物；水温2至15摄氏度间则各种生物门类都有，主要是管状蠕虫、双壳类和蛤类。

某些科学家相信，热泉所代表的环境与地球38亿年以前生命起源的环境类似，地球上的生命起源很可能就发生在这一特殊的环境中。这些嗜古热菌则是处于生命进化中的最初阶段，因此研究这些嗜热菌对研究地球上的生命起源有十分重要的意义。另一方面，科学家们发现火星上曾经出现过热液喷口，而且木卫二的冰层下面可能仍然存在热液喷口。因此，推测火星和木卫二上可能也有类似生命形式的存在。

此外，利用嗜热菌特殊生物特性，可将其用于工业生产，环境进化及遗传学等各个领域。如用于石油及煤炭的脱硫，废水废料的进行厌氧处理，生产多种酶制剂，还可将耐热DNA 聚合酶用于基因和遗传工程的研究中。

2.两极和深海中的嗜冷生物

在寒冷的两极地区以及黑暗的海底，低温使很多生物在这里无法生存，然而对于许多嗜冷生物，这儿却是它们的天堂。这些嗜冷生物主要是一些细菌或是类似古菌的单细胞有机体，也包括一些特殊种类的苔藓和海藻。其中，生活在极地的冰虫也是嗜冷生物的一种。科学家们发现，在极地寒冷的冰层中，生活着这种特别的生物，它们在极地低温下活跃生存，在冰中自由行走，稍微升温便化为一团粘稠。冰虫个头非常小，在冰雪中看起来就像一条条细细的小黑线。它们被生物学家称为，最大的无脊椎动物，冰封大地中最活跃的生物。冰虫能够在如此极端环境下生存的原因是，它们的细胞膜和细胞酶在低温下能正常新陈代谢，且细胞膜还保持着固有的弹性。

对于地球上像冰虫这样的嗜冷生物的研究具有重大意义。科学家们甚至猜测，在外星球上可能也生活着像冰虫这样的耐寒生物。在太阳系中除地球以外的两个最有可能容纳生命的星球是火星和木卫二，两者都是寒冷冰冻的气候。为此，美国宇航局曾经出资20万美元用于资助冰虫的研究项目。他们认为在木星的冰球或者其他星球上可能也存在类似冰虫的外星生物。

冰虫研究在器官移植方面的价值远比它所代表的外星生命更有现实意义。美国《国家地理杂志》也曾资助研究者寻找冰虫。现代医学中移植的器官在冷藏过程需消耗能量，因此会出现快速萎缩。但是，顽强的冰虫细胞却能够在低温下进行正常的新陈代谢，因此如果能揭开冰虫新陈代谢的秘密，待移植的器官就可以通过使用化学试剂和药物保存得更长久。

3.死海中的嗜盐细菌

死海其实不“死”。虽然死海中极高的海盐浓度使得大部分的生物不能在其中生存。在一些嗜盐的微生物却在其中繁衍生长。有科学家对一种生活在死海中的嗜盐细菌深入研究后发现，其可以产生一种特殊的蛋白质以免受高浓度盐水的侵蚀。大多数的海洋生物无法生存于8倍于海水浓度的死海中，因为生物细胞中的DNA会受到死海中高盐度水的破坏。DNA 分子要依靠水分子的簇团包围来维持其完整的双螺旋结构。死海中的高浓度盐水会阻断水分子对DNA分子的包围，使其发生断裂，造成细胞失活或死亡。

微生物嗜盐杆菌是生活在死海中的细菌之一，很多科学家都在对其进行研究。如果能够破译嗜盐杆菌在恶劣条件下生存的奥秘，那么在生物技术研究和探知外星生命等领域都能够取得突破性进展。目前，科学家已经能够通过借助最先进的DNA微矩阵技术，观察到嗜盐杆菌精妙的自我保护技巧。

通过“机遇号”火星探测器的探测结果，科学家们发现火星表面存在镁硫酸盐等矿物质，它们是由于液态盐水的作用而形成的。科学家们推测，火星表面盐份太重，不适宜一般生命的存在，在具有类似嗜盐细菌特性的生物则可以忍受火星上的高盐度环境。因此，类似嗜盐细菌可能是火星上的生命的存在形式。

4.其它极端环境中的生物

除了上面所述的海底热泉中的嗜热生物，两极和深海中的嗜冷生物，以及死海中的嗜盐细菌外，还有一些其它极端环境下的“生物奇迹”，比如极端酸性，碱性，高压缺氧等环境下。在地球 2000米深的地层中，几乎没有空气，在这样高温高压缺氧的极端条件下，仍然生存着大量嗜酸、嗜铁、嗜甲烷的微生物，这些微生物依靠还原铁、甲烷等维持生存。在空气干燥稀薄的万米高空，温度也在零下50℃，而来自太阳的紫外线则是地面的几倍，也有生命的存在。科学家们发现，即使在比广岛原子弹爆炸还猛烈3000倍的辐射环境中，也有一种神奇球菌可以存活下来。

总结与展望

地球上的生命遍布于世界的每一个角落。在灼热的酸碱地到干旱的沙漠、黑暗的海底、寒冷的两极等等。这些极端环境下的生命都具有极强的生命力，于是人们不禁联想到，在寒冷干旱的火星气候下和木卫二的酸性环境下，是不是也会存在着类似的生物呢，或者这些地球极端环境的生物是否能在火星和木卫二上，甚至在太阳系外的其他宇宙空间中存活呢。当然，这并不是探索地外生命存在形式的唯一方式，因为就如李一良老师在《宇宙中的生命》课程中所讲述的地球以外的宇宙空间中的生命可能会与地球上的生命以一种完全不同的形式而存在。毕竟，地球上的生命形式在广阔的宇宙空间是具有特殊性还是普遍性至今还无人知晓。因此，在探索宇宙中的地外文明的时候，需要运用更加开放的思维方式。

极端环境中的生物能够在极端环境中生存、繁殖，具有很高的实际应用价值。生物所产生的酶是生物赖以生存的一种基础物质，它有严格的分子组成和特殊的催化能力。而且，各种酶必须在其特殊的条件下才能发挥作用，不满足条件，酶就会变性失活。从这点出发，科学家们提出了“极限酶”的概念。他们通过提取嗜热菌的生物酶，经过处理得到一种聚合酶，能够在高温下仍具有活性。这一成果给生物化学带来了革命性的变革，创造了数十亿美元的经济效益。当然，这只是极端环境中的生物在实际应用中的冰山一角。

极端环境中的生物因其具有实际应用价值而引起生物学家、化学家的重视，而且又因其生活环境奇特而引起生命起源学者和研究地外生命的天文学家的极大兴趣。中科院微生物所在极端环境微生物生命特征及环境适应机理等方面都取得了许多成就。

作者猜测，未来对极端环境的生物的研究将集中于其生理和遗传基础，它们与其他细菌及更高级生物有无亲缘关系，在其他星球上会不会存在类似古细菌的奇特生命形式，等方面而展开。