冰点之下 生命之火

发布时间：2022-12-21 13:05:40

冰点之下生命之火大多数生物都经不起严寒的考验，但最近科学家发现，即使当温度冷到令温度计中的水银冻结时，生命还能存在。在北冰洋冰雪覆盖的广袤区域里，一种奇怪的生物在没有尽头的浮冰包围的水道中穿行，它靠一根像鞭子一样的尾巴行进――它能在只需数分钟便可致人死命的极低温冰冻环境中自由自在地繁衍生息……冰块中的幸存者冬天来临，北冰洋的温度更低了，那些浮冰中的水道也逐渐变成了冰，最后完全消失。温度很快就下降到了-20℃，但这种有着鞭子状尾巴的生物，却还好好地活着――它被封在冰块中比自己的单细胞身体大不了多少的小水泡中。它就是一种叫科尔韦尔氏菌的细菌。在南极洲和格陵兰岛的冰原下数千米深处，温度低至-40℃。但被埋于其中的细菌却已逍遥地活了数十万年，它们“盘坐”在仅3个分子大小厚的水膜中。“这令人难以置信，”美国华盛顿州立大学的天体生物学家德克说，“这可能将大大扩展生命适宜存在的温度范围。”他认为，这些耐寒生物的发现将有力地支撑下面这个更受人关注的猜想：我们在太阳系中并不孤独――在地球之外的冰冷的星球上，生命或许正绽放着耀眼的光芒。在过去30多年时间里，生物学家一直笃信这样的看法：生命的确可以存在于极端的温度下，但大多情况是在“热的一端”――比如，美国黄石国家公园里接近100℃的炽热的
喷泉和大洋中脊（纵贯四大洋的巨大海底山系，长约84000千米，地震和火山活动频繁）火山口高达数百摄氏度的环境中都发现了细菌。和这些“好热”生物相比，嗜冷生物常被视为“懦弱”――过去生物学家认为适合细菌生存的最低温度大概在-20℃左右，而适合生物生存的最低温度也应该距此不远。这种看法使得在太阳系中其他星球存在生命的可能性被大大低估了，因为其中有些星球的温度极低，从未高过-20℃的最低温度，甚至远低于-40℃。美国蒙大拿州立大学的约翰?普里斯科认为，在过去关于极端环境中的生命的研究中，人们过分关注“热的一端”，几乎没想到过冰也是生命的栖息地。而现在，这一切正在发生变化。细菌的防冻武器过去科学家没有花很多精力去研究极低温环境下的生命，往往是出于这样一条公认的定律：生命的存在需要水。水不仅是生命体内营养物传入细胞、废物排出的媒介，还是生命必须的新陈代谢反应的溶剂，所以生命体所需的水必须是液体，而固体的冰晶体还会让活细胞碎裂。这也使得生命无法存续于极低温环境下的固体冰中。但事实上，即使温度再低，冰中也依然有微量的液体水存在。这种固体冰大环境中的液体水小环境正是科尔韦尔氏菌度过严冬的庇身之所，这种小环境远非我们过去所认为的那样罕见。在科尔韦尔氏菌生活的海冰中，冰晶体在生长时将盐向外排出，使之集中于冰晶体之间的液体水道中。而盐使得液体水道中的水的冰点下降，最低可到-50℃，这就使得这些水道不容易结冰，为科尔韦尔氏菌提供了一个液体环境的容身之处。其实，科学家很早之前就已经发现这些液体水道了，但直到最近几年，他们才将液体水道看作是生命的栖息地。
极低温下生命的另一个避难所是纳米级的水膜。这些很薄的液体水膜和冰中的矿物质颗粒表面相连，因为水分子能吸引带电的矿物质颗粒表面，防止了矿物质向冰晶体扩散，有助于水膜中生命的维持。除此之外，细菌还有它自己的生存“诀窍”。最近公布的科尔韦尔氏菌的基因组序列显示，细菌还能“调控”自身的环境。在科尔韦尔氏菌周围的蛋白质中有很多它的基因，在它分泌的物质中也有其基因的存在。“这种细菌和它的环境有着很好的互动，”美国华盛顿大学从事基因组序列研究的海洋微生物学家乔迪?戴明说，“它向其环境中投放了很多它自己的基因信息。”当天气变冷时，科尔韦尔氏菌开始释放一种叫胞外聚合物的物质，其淀粉状的纤维分子能吸收水分，并形成冰中的凝胶体，而不断扩大的冰晶体再从凝胶体中吸收回水分。当包含水的凝胶体变得非常小时，冰核便不再生长。最后凝胶体便变成玻璃胶状，但本质上还是液体，这种状态能防止结冰。尽管目前还没人知道胞外聚合物的效果有多大，但和它类似的一种物质――黄原胶已被广泛用于食品工业，黄原胶能在-200℃不结冰。正是依靠躲在胞外聚合物的“襁褓”里，科尔韦尔氏菌才能避开冰晶体的入侵，才能摆脱盐的聚集令其脱水的厄运。科尔韦尔氏菌就是靠这一独特的保护层才能在低温下自得其乐的。在-7℃时，这种细菌能像生活在人体体温状态下的大肠杆菌一样行动自如；在-14℃时，它还能正常生长繁殖；在-20℃的海冰中，它还能呼吸。液氮中的生命奇景2005年，乔迪?戴明的同事卡伦?琼格将科尔韦尔氏菌带进了实验室，以更精确地测试其抗寒能力。为了测试它的新陈代谢率，她让科尔韦尔氏菌在-20℃至13℃之间的不同温度下繁殖，以观察它将亮氨酸（一种有放射性标记的氨基酸）合成蛋白质的速度。她也试

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