极限环境中的生命

1、极限环境中的生命李大卫地球上存在生命的环境条件，究竟有没有极限？人们对这些极限认识到什么程度？探讨这些问题有什么意义等等。这一连串的问题是生命科学中最富于戏剧性和最引人入胜的问题。对此，生物学家们一直没有停止探索。1 在探索生命存在的极限环境中，发现了生物的新类群随着研究工作的继续深入，科学测试手段的日益提高和发展，研究生命科学的工作者们，从一般生物不能生存的环境中，发现了生物的新类群。开始时，他们称其为“古细菌”(Archaebacteria)或“原始细菌”(Primitive bacteria)，以便把它们和“真细菌”(Eubacteria)互相分开。因为，二者在外形上极为相似。但是，等到

2、运用先进的研究手段和技术，进一步研究它们时，却发现它们和真细菌之间，在分子水平上大相径庭，二者的RNA结构顺序很不相同，以至于这个新发现的所谓古细菌类群，如果从RNA的结构上来判断，它们和真核生物的关系，要比它们和真细菌更为密切。另外，所谓的古细菌，其实并不比真细菌更为古老。有分析材料表明，真细菌从其它生活型分枝出来，比之古细菌和真核生物之间的分离，还要早150万年左右。所以，真细菌原来是比古细菌更为古老的生物。由于古细菌一词，很容易给人造成错误印象，最近，为“古细菌”一词命名的美国学者沃斯(C.Woese)又提出重新命名的意见。他认为新类群的名称，还应该保留“原始的”意思，但再不能称之为细菌

3、了。因此，他把“Archaebacteria”改为“Archaeotida”。2 新类群生活环境的特点新类群中的成员，绝大部分都居住在极为特殊的环境中。这些生活环境，对其他的生物来说，根本就不能生存。例如，高温、高酸、高盐、高碱或高压等环境，人们认为这些地方，如果不借助防护措施，一般生物是不能生存的。而对这类生物来说，却能很正常地生长和繁殖。21 嗜热类群 德国的斯梯特(K. Stetter)研究组，在意大利的一个海底火山喷口附近，发现一族能够生活在110 以上高温中的生物。他们称其为Methanopyrus，这类生物在98左右生长最好，当温度降至84时，即停止生长。其他的生物根本不能忍受这种

4、生活条件。因为，当温度达到6070时，一般生物体内的大分子即被破坏，以至死亡。美国的一位核酸化学家柏斯(N. Pace)宣称，他发现了生长在130 以上高温条件中的生物无性系。他还提出了150可能是生命耐热性的上限。当然，他的推断还未经证实，仅仅是一种假设。22 嗜酸类群 这类生物被称为Acidophiles，它们多半生活在火山区，或者是含硫量极为丰沛的地区。它们能把硫氧化成硫酸，形成极度酸性的环境，pH值竟达到1甚至更低。有趣的是许多嗜酸生物，同时也喜高温。斯梯特就发现一族生活在96以上高温，pH值低于1的环境中的生物。它们被命名为Acidianus infernus。23 嗜盐类群 一般海

5、洋的含盐量约为3，是许多生物极好的生活环境。而含盐量达25的大盐湖，却极少有生物能够生存。因为这种条件会使生物细胞内的水分渗出，同时还会破坏正常的电解质平衡。但是，微生物学家琼纳斯克(H. Jannasch)，却发现了能够生存在含盐量高达36盐液中的生物。他称它们为Halophiles。36的盐溶液已不能溶解更多的盐分，几乎达到了饱和。另一位微生物学家斯多肯尼亚斯(W. Stoeckenius)，在观察嗜盐生物繁殖的时候，发现它们具有特殊的形状，其中有一种最引人注目。它们呈四方形，繁殖时，先向一个方向延长，然后分裂，形成另一个四方形，如此不断分裂，结果看起来就象是连在一起的一张张邮票。还有些嗜

6、盐生物的群体，呈现红颜色。如果乘飞机飞越它们的繁殖区海水的制盐蒸发池，从高空俯瞰就可以看到制盐蒸发池由深绿到深红的颜色变化：在蒸发的早期阶段，由于池内的藻类繁茂，颜色呈深绿色；随后，水分蒸发殆尽，盐分达到饱和，藻类全部死亡，绿色消失；剩下嗜盐生物，颜色就变为深红色。24 嗜碱类群 与嗜盐类群同时生活在盐湖或盐池中的另一族生物，却非常耐碱。有人测试这类生物的生活环境中，溶液的pH竟然达到11.5以上，几乎达到了氨水的碱度，它们却能正常地生长和繁殖。25 嗜压类群 美国的一位海洋学家亚扬诺斯(A. Yayanos)发现有些生物只有在最深的洋底才能生长。它们的生存条件之一，竟是巨大的压力。在实验室中

7、，它们之中的一些种，能在1317 2251418 550mpa压力下生长，换言之，它们可以在深为1314km深的洋底生活。令人惊讶的是，其中的某些种至少需要303975 mpa以上的压力，如果压力低于303 975 mpa，就会停止生长。所以，有些科学家认为，它们的生命活动对海洋至关重要，由于它们的存在，才能让落入洋底的生物遗骸参与海洋有机质的再循环。3 研究新类群生物及其生存条件的意义31 耐热问题 这些嗜热生物，在高温条件下是怎样防止其蛋白质和核酸组分不被破坏，怎样形成在高温下能够启动的酶？这些抗高温的酶，其结构与正常的酶有什么不同？研究这些问题对于生物抗高温，或者是在高温条件下增加繁殖系

8、数，达到增产、增益都有极为现实的意义。有人从嗜热生物的DNA不易被降解的途径进行研究，从中得到一种类组蛋白，具有保护作用。在离体培养的DNA中加入这种类组蛋白，DNA就能经受住比平常高30的温度。32 耐酸问题 嗜酸生物在极度酸性环境中生活，其体内却能保持中性，pH值大约是7。那么，这是如何办到的呢？它们所具有的高度韧性的膜是如何形成、如何保持的呢？还有这种膜的泵功能强度究竟达到什么程度？这对提高一般生物的耐酸能力和培育耐酸生物具有巨大的诱惑力。目前，在生产上已经利用它们作商业性开采矿物之用，收益很大。特别是利用它们从低品位的矿物中，溶提贵重金属非常成功。另外，利用它们进行生物制酸，还可以达到

9、节省投资、少消耗或不消耗能量的目的。33 耐压问题 在高压下，生命如何适应和延续？从这个角度来研究细胞膜，对生物学家们，具有巨大的吸引力。因为，膜系统在生命科学中占有很重要的地位，它关系着生物与环境条件之间物质和能量的交换，以及生命如何形成、延续和发展等等重大课题。例如，沿着膜系统这条线索，亚扬诺斯发现随着压力的增加，只有同时也增加不饱和的膜脂类，才能保持膜流体性的正常水平。一般说来，在压力增加的条件下，膜的通道也会相应地增加。但是，他们找到了一组能够调整压力影响的基因，这组基因在283 710mpa下表达，并通过它减少某些蛋白质的产出率，从而在压力增加的条件下，可以减少膜的通道，达到阻止体内的糖和其它营养成分，扩散到体外去的效果。总之，研究这类生