[科普中國]-嗜熱細菌的生存能力逆天啦！

對于許多人來說，50攝氏度以上的溫度就會讓人感覺非常不舒服，但有些生物卻能在沸騰的熱水中優(yōu)哉游哉地生活。它們?yōu)楹文軌蛉淌軜O限高溫？研究這些耐熱生物對人類來說有什么好處？

沸水中的極端微生物
在遙遠的東西伯利亞，數(shù)百座活火山聳立在巖石之上，其間點綴著數(shù)以千計的熱泉。俄羅斯人稱這里為“正在形成的土地”，因為這里的火山總是在融化巖石，形成新的地貌?？安旒影雿u上的“新土地”堪稱地球上最荒涼的地方，但這并非意味著沒有任何生命。在熱氣彌漫、冒著氣泡的沸水中，依然存在著許多奇怪的微生物，有些甚至能在130度左右的水中生存。

堪察加半島是地球上最活躍的的火山噴發(fā)區(qū)之一，是太平洋“火山帶”的重要組成部分。這里最引人關(guān)注的區(qū)域是克羅諾基國家公園的Uzon火山口，它就像四面被山圍繞的碗，里面有數(shù)百處熱泉、間歇泉以及泥漿池，它們的熱量來自地底深處的地?zé)?。這里的巖石中含有豐富的砷、磷、銅、鉛、銻甚至黃金。甲烷、硫化氫、氮氣以及二氧化碳等地?zé)釟怏w從地表滲出，或在熱泉中形成氣泡。這個地方非常危險：你可能很容易掉入沸騰的水中或吸入有毒氣體。但對于許多微生物來說，這里卻是最好的繁衍之地。對于研究極端微生物的生物學(xué)家來說，Uzon火山口也是完美的研究場所。

大多數(shù)生物無法在熱泉中生存，接近沸點的溫度可以煮熟大多數(shù)正常的生物，并破壞蛋白質(zhì)、脂類和遺傳物質(zhì)。但是高溫并非熱泉生物需要面對的唯一問題。有些熱泉中酸性很高，有的則堿性更強。有的水非常咸，有的則富含砷、硼酸、硅酸以及硫酸。這些熱泉中幾乎沒有氧氣，因為高溫下氧氣不會溶解在水中。
呼吸劇毒氣體，吸收化學(xué)能
正是因為生存條件如此惡劣，沒有任何復(fù)雜的生物能在熱泉中生存。在溫度達到50攝氏度以上時，動物通常就會感到非常不舒服。大多數(shù)在極熱環(huán)境中生存的生物都是單細胞細菌或古生菌。它們是地球上最簡單的生命形態(tài)，或許也是最古老的。它們只有1個細胞組成，缺少更高級生命擁有的復(fù)雜細胞機制。

為了能在沸騰的熱泉中發(fā)現(xiàn)更多生物種類，科學(xué)家收集了大量樣本，并分析擁有極端抗性的微生物DNA。科學(xué)家們在這里發(fā)現(xiàn)一系列微生物，包括許多前所未見的新物種。英文名為Desulfurella acetivorans的細菌是一種生存在58度熱泉水中的細菌。它以溫泉中的有機物為食，不需要呼吸氧氣，而是通過被稱為“硫還原”的過程從火山硫中吸取能量。
Thermoproteus uzoniensis是科學(xué)家們在Uzon火山口和間歇泉峽谷的熱泉中、蒸汽噴口、泥孔以及泥土中發(fā)現(xiàn)的新細菌。這些桿狀微生物可以在接近沸點的水中生存，以食用名為肽的有機分子發(fā)酵物為生。它們也使用“硫還原”過程獲得能量?？茖W(xué)家們認為，Thermoproteus uzoniensis經(jīng)?？梢钥鐓^(qū)域出現(xiàn)，因為它們通過風(fēng)、水、鳥甚至熊等被攜帶到其他地方。

另一種英文名為Acidilobus aceticus的細菌是在酸度極高的熱泉中發(fā)現(xiàn)的。這種酸水的溫度非常高，可以達到92攝氏度。它以發(fā)酵的淀粉為食，同樣以“硫還原”過程推動新陳代謝。
實際上，在熱泉和間歇泉中，不僅存在著呼吸硫的微生物。在二氧化碳、一氧化碳、鐵以及硝酸鹽等火山氣體中，也有許多細菌生存。研究人員在勘察半島發(fā)現(xiàn)許多截然不同的噬熱細菌，它們的特殊本領(lǐng)是可以呼吸一氧化碳，對于正常生物來說，它屬于劇毒氣體。

Uzon火山口最大、最熱的熱泉是Bourlyashchy Pool，它的溫度達97攝氏度，是科學(xué)家研究陸地生命最熱的環(huán)境。研究人員在這里發(fā)現(xiàn)大量微生物，其中許多細菌都屬于更古老的產(chǎn)水菌（Aquificales）。它們曾在美國西部的黃石國家公園熱泉中發(fā)現(xiàn)，可以從氫中獲取能量。
嗜熱細菌的四大耐熱武器
當(dāng)然，并非所有堪察加半島的微生物都是新物種，有些以前已經(jīng)在黃石公園、冰島或新西蘭發(fā)現(xiàn)過。這些微小的生命形態(tài)在地球上最熱、最惡劣的環(huán)境中生存下來，它們到底如何做到的？

在堪察加半島和世界其他地方熱泉中發(fā)現(xiàn)的細菌與古生菌都擁有獨特的適應(yīng)能力，讓它們可以在高溫環(huán)境中生存。在正常情況下，包裹活細胞、充當(dāng)脂健的脂質(zhì)膜會在50攝氏度以上溫度環(huán)境中崩潰。而有些熱泉微生物通過使用特殊的醚健代替脂健來應(yīng)對這個問題，醚健比脂健更牢固結(jié)實。
此外，在高溫環(huán)境下，為正常生物提供細胞內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所需能量的蛋白質(zhì)和酶會改變性質(zhì)，就像DNA那樣。微生物也找到了應(yīng)對之法。特殊的氨基酸序列可以強化蛋白質(zhì)，并保護它們。此外，蛋白質(zhì)內(nèi)被稱為離子的帶電粒子也可以幫助其形態(tài)更加穩(wěn)固。

嗜熱細菌應(yīng)對高溫環(huán)境的另一種武器是被稱為熱休克蛋白質(zhì)的特殊分子。它們可充當(dāng)分子的保護者，預(yù)防黏在一起的蛋白質(zhì)被拆散。它們還可以積極粘合在熱環(huán)境下分解的蛋白質(zhì)，讓它們重新發(fā)揮功能。
還有證據(jù)顯示，與正常細菌相比，嗜熱細菌的蛋白質(zhì)更密集、更緊湊，這可以保護它們不被分解。此外，每種蛋白質(zhì)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)之間的不同部分可能存在額外聯(lián)系，有助于保持分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
這些策略加起來，讓某些微生物可以不斷超越極限，在我們認為的極端環(huán)境中生存下來?？茖W(xué)家們認為，嗜熱微生物有特殊的生物機制，讓它們的聚合物（蛋白質(zhì)與核酸）在高溫環(huán)境下維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和功能。嗜熱細菌的膜也不同，這些細菌的膜中含有更多飽和脂肪酸。而古生菌的膜異常牢固，這可能是存在名為異戊稀基醚的特殊脂質(zhì)所致。
嗜熱微生物的開發(fā)應(yīng)用
這些嗜熱微生物特殊的適應(yīng)能力讓科學(xué)家們十分著迷，但這不僅僅因為他們的職業(yè)興趣。從嗜熱微生物中提取的酶可在高溫環(huán)境下工作，這使得它們在石油、化工、紙漿和造紙等行業(yè)都擁有誘人的前景。耐熱酶也可被用于制造清潔劑。即使是法醫(yī)學(xué)也可從研究嗜熱微生物中獲益。許多法醫(yī)工作涉及到的DNA只能通過名為聚合酶反應(yīng)鏈的特殊過程獲得，這個過程可以復(fù)制DNA，并放大信號至可探測的水平。而DNA的復(fù)制酶就是從嗜熱細菌中分離出來的。

或許最重要的是，生活在熱泉中的微生物能在可以在殺死大多數(shù)生物的環(huán)境下生存，這對理解地球生命起源和早期進化非常關(guān)鍵。熱泉為我們提供了史前地球生命誕生和進化的線索，那時候地球上幾乎沒有陽光、光合作用或者植物。這意味著，稀薄的原始大氣層中可能沒有氧氣。

由于沒有完整大氣層的保護，紫外線可以破壞生物的DNA，這意味著生命可能只會生存在海洋深處或地下，這些早期生命可能面臨著與今天堪察加半島上的微生物類似的生存挑戰(zhàn)。堪察加半島的惡劣條件也可能也代表了太陽系其他星球上的環(huán)境。如果微生物能夠在地球的熱泉中生存，可以從火山中吸取化學(xué)能，或許它們也能在其他星球上生存。