挑戰(zhàn)生命的極限

孫萬儒

廣袤的海面占據(jù)地球面積的70.8%，地球名副其實(shí)是“水球”。我們對于海洋孕育的生物所知極為有限，深海生物對于我們來說，更是謎一般的存在。

向海洋深處進(jìn)發(fā)

這里海水深達(dá)數(shù)千米，甚至萬米，海水壓力隨著水深每增加10米約增加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在1萬米的深淵，壓力相當(dāng)于1000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；海水吸收陽光，海深200米以下幾乎沒有陽光；除個(gè)別海域水溫較高外，深海水溫平均為1～3℃，最低可達(dá)-1.8℃；海水中含有各種無機(jī)鹽，鹽度較高，在35‰左右，雖然各大洋因所處地理位置不同有所變化，但變化不大；海水的含氧量隨深度加深而減少，通常500～1000米水深處含氧量最低，其上下水層含氧量均較高；海底的沉積物多為軟泥和黏土，含有少量的有機(jī)物。在這樣的極端環(huán)境中會(huì)有什么生物能夠生存繁衍，是人們關(guān)心的問題。直到19世紀(jì)初，人們才開始關(guān)注深海生物的研究，但因研究條件所限，難以深入海洋深處，易誤以為550米以下是無生命區(qū)，因此，相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。19世紀(jì)70年代，英國挑戰(zhàn)者號獲得了首批深海生物樣品，證實(shí)深海存在生物。此后，歐美一些國家相繼開展深海生物調(diào)查，20世紀(jì)60年代以來，隨著深海科考技術(shù)和設(shè)備不斷改進(jìn)，如應(yīng)用新的深潛器，人們可以到達(dá)10911米深海，采用水下電視攝像機(jī)、水中立體照相機(jī)、機(jī)械手對深海生物調(diào)查研究，包括深海環(huán)境以及深海生物的種群生態(tài)、生理、生化和適應(yīng)機(jī)制等的研究不斷取得進(jìn)展。我國雖然在這方面開展研究較晚，但自行設(shè)計(jì)的蛟龍?zhí)柹顫撈饕褜?000多米的海洋深處進(jìn)行科考，取得了大量的深海生物樣品，推動(dòng)了我國的相關(guān)研究。

極熱環(huán)境下的頑強(qiáng)生命

1977年，美國伍茲霍爾海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的阿爾文深潛器在太平洋加拉帕戈斯群島東北300千米、水深2550米處的斷裂帶發(fā)現(xiàn)，在海底存在一些火山口，大量含有硫化物的液體從裂縫中噴出，形成濃密的黑色煙霧，人們稱之為“黑煙囪”， 又稱為海底熱液口。雖然一個(gè)熱液口區(qū)面積只有幾百平方米，但卻生存著密集的生物群落，它們是完全不依賴于光合作用而獨(dú)立生存的生命體系，由微生物開始，包括嗜熱的古菌、細(xì)菌，如硫酸還原菌、產(chǎn)甲烷菌。它們都是耐壓、嚴(yán)格厭氧的異養(yǎng)菌，密度高達(dá)108～109個(gè)/毫升。還有大型生物，如長管蟲、蠕蟲、蛤類、貽貝類，還有蟹類、水母、藤壺等，共同組成了“黑暗食物鏈”。讓生物學(xué)家驚訝的是這里的靜水壓超過1000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而生物量是附近深海環(huán)境中生物量的數(shù)萬倍，這樣的環(huán)境如何孕育出如此豐富的生物群落！

丹麥微生物生態(tài)學(xué)家羅尼·格魯?shù)潞退I(lǐng)導(dǎo)的南丹麥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在世界最大海溝——位于太平洋的馬里亞納海溝深約11000米的海底，發(fā)現(xiàn)生活在這里的微生物呈現(xiàn)出一派生機(jī)盎然的景象。在帶回來的海底泥土樣本中發(fā)現(xiàn)，每立方厘米平均含有1000萬個(gè)微生物，這一數(shù)量是位于該海溝頂部高原收集到的泥土中微生物數(shù)量的10倍多。

而在黑煙囪口附近的海水溫度高達(dá)350℃，周圍的海水溫度也在百十?dāng)z氏度以上，黑煙囪附近到處是火山噴發(fā)出的硫黃和硫化物。斯坦福大學(xué)科學(xué)家在這里發(fā)現(xiàn)一株古菌，最適合的生長溫度為100℃，80℃以下即失活；德國科學(xué)家斯泰德在海底發(fā)現(xiàn)一族古菌，這種古菌能生活在110℃以上高溫中，最適生長溫度為98℃，溫度降至84℃即停止生長；2004年，馬薩諸塞州大學(xué)教授德瑞克·萊烏利從黑煙囪口分離一株菌，將其放入121℃的高壓滅菌鍋中，加熱24個(gè)小時(shí)，不僅沒有被殺死，細(xì)胞數(shù)目還增加了一倍。科學(xué)家還從深海2000～4000米處的黑煙囪體中分離出100多株能在130℃、600個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下生長繁殖的超嗜熱古菌，對它們的基因組測序后發(fā)現(xiàn)，它們可能起源于30億年前。

生命的“熱起源”假說

深海熱液環(huán)境與地球早期環(huán)境類似，缺氧、存在各種還原性氣體、高溫，并保持著化學(xué)及溫度梯度。對從中發(fā)現(xiàn)的它們超高溫超高壓微生物進(jìn)行基因組測序，發(fā)現(xiàn)它們多處于進(jìn)化樹的根部，它們保存了地球上最古老的生物信息。因此這些極端微生物成為研究陸地生命起源的一個(gè)窗口。系統(tǒng)研究現(xiàn)代深海微生物基因組所蘊(yùn)藏的信息，結(jié)合環(huán)境模擬來追溯形成基因組內(nèi)源結(jié)構(gòu)所必須的外在理化條件，與已有的地質(zhì)記錄相對比印證，可以為生命起源甚至早期地球環(huán)境演化的研究帶來新的機(jī)遇，也可能為地球以外一些生命形式的存在提供參考。

近年來，生命的“熱起源”假說成為生命起源的主流，但對此假說也有質(zhì)疑，嗜熱物種究竟是生命的祖先，還是在極端環(huán)境的壓力下選擇進(jìn)化的結(jié)果？對極端嗜熱微生物的研究將有助于對生命“熱起源”假說的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。更有意義的發(fā)現(xiàn)是，古菌遺傳信息傳遞方式與真核生物的極其相似，因而古菌很可能成為了解真核生物，甚至我們?nèi)祟惖倪z傳信息傳遞系統(tǒng)的有效模型。對它的研究，也有助于了解地球生命的限制條件，同時(shí)為研究其他星球的生命提供重要線索。

挑戰(zhàn)寒冷極限

海洋深處既有高壓熱環(huán)境也有冷環(huán)境，熱環(huán)境大部分是在海底火山口。而冷環(huán)境則是深海中，隨著海洋深度的增加，水溫不斷降低。特別是在南北極存在大量冰山，科學(xué)家從南極東方湖3593米處冰芯分離得到42萬年前的活細(xì)菌。美國路易斯安那州立大學(xué)布蘭特·克里斯特納和他的同事們采用了不沾染微生物的鉆孔和取樣技術(shù)，從南極冰原下的惠蘭斯湖大約800米深處取樣，證明在黑暗寒冷環(huán)境中，存在多樣的生態(tài)系統(tǒng)。這些微生物中，有許多似乎從融冰和冰層下的巖石及沉積物中獲得營養(yǎng)源。俄羅斯南極科學(xué)考察站的科學(xué)家也從3500米的冰層中取得冰芯，在嚴(yán)格的無菌條件下分離，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌、酵母、真菌和藻類，證明在低溫環(huán)境存在嗜冷的微生物。

不論是熱環(huán)境還是冷環(huán)境都生活著很多遠(yuǎn)古微生物。目前世界上已知的深海微生物有百萬種以上，但是科學(xué)家現(xiàn)在真正能夠有條件研究的也就只有萬分之一。隨著研究的深入，科學(xué)界對極端微生物的研究興趣越來越濃厚。短短40年間，對極端微生物多樣性的研究取得了很大進(jìn)展。僅超嗜熱菌就從1972年的兩個(gè)種增加到目前的80多個(gè)種，其他各類極端微生物的種也有200多個(gè)。隨著研究的深入和新研究方法的采用，微生物生存的環(huán)境條件極限也將不斷地被改寫。