極端生命新發(fā)現(xiàn)

謝小軍

早在幾十年前，人們就注意到一類(lèi)被稱(chēng)為極端微生物的微小生命，那些對(duì)于大部分地球生命猶如地獄的火山口、冰川、鹽湖等惡劣的自然環(huán)境對(duì)它們而言卻是棲息繁衍的天堂。分子遺傳學(xué)的研究表明，它們中的大部分成員在進(jìn)化上也是很獨(dú)特的，屬于被科學(xué)家們稱(chēng)為古菌的生物類(lèi)群。這類(lèi)生物既有別于細(xì)菌，又有別于更高級(jí)的真核生物，它們也許是世界上現(xiàn)存的最古老的生命。幾十年來(lái)，新的極端生命形式不斷被人們發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，它們一次次地打破生命的極限，一次次地沖擊人們對(duì)生命現(xiàn)象的傳統(tǒng)觀念。以下是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一些此類(lèi)生命，關(guān)于它們的發(fā)現(xiàn)和研究報(bào)告均全文發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》或英國(guó)《自然》雜志上。

冰凍的生命

沃斯托克湖是位于南極俄羅斯沃斯托克科考站附近的一個(gè)液態(tài)湖泊，其大小相當(dāng)于美國(guó)的安大略湖。它的特別之處在于湖面上覆蓋著厚達(dá)3600米的冰層，由于地?zé)岷捅鶎拥母魺嶙饔?，湖水的溫度僅比冰點(diǎn)低幾攝氏度，并且由于冰層產(chǎn)生的巨大壓力，湖水仍能保持液態(tài)。該湖于20世紀(jì)70年代被機(jī)載聲測(cè)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，但其大小直到1996年才被弄清，多年來(lái)科學(xué)家們很想弄清楚湖水中是否存在生命。1999年，一個(gè)國(guó)際合作小組對(duì)沃斯托克湖進(jìn)行了研究，為了不污染湖水，他們并未鑿穿冰層，而是在距湖面50米處取出了一些由湖水結(jié)成的冰芯樣品來(lái)分析。在電子顯微鏡下，冰芯上一幅幅微生物生活的生動(dòng)畫(huà)面呈現(xiàn)在人們眼中。據(jù)推測(cè)，沃斯托克表層湖水中的微生物濃度大約是每毫升十萬(wàn)到百萬(wàn)個(gè)，這個(gè)數(shù)字雖然是相當(dāng)可觀的，但微生物的種類(lèi)卻顯得不那么豐富，主要是一些細(xì)菌和放線菌。這些微生物也許與世隔絕了上百萬(wàn)年。

沃斯托克湖中生命的發(fā)現(xiàn)大大激起了科學(xué)家們對(duì)歐羅巴星球存在生命的信心。歐羅巴星是木星的第二顆衛(wèi)星，多年來(lái)科學(xué)家們就一直猜測(cè)由于地?zé)岷蛠?lái)自木星巨大引力引起的潮汐揉搓的作用，在其表層厚達(dá)三四千米的冰層下很可能是一個(gè)奔涌浩瀚的液態(tài)海洋。自1995年以來(lái)，多次掠過(guò)歐羅巴星的“伽利略”號(hào)探測(cè)器提供了許多關(guān)于它擁有一個(gè)鹽水液態(tài)海洋的新證據(jù)，并且“伽利略”號(hào)傳回的信息同時(shí)還表明它的鄰居木衛(wèi)四甚至木衛(wèi)三也可能擁有一個(gè)類(lèi)似的海洋。在科學(xué)家眼中，歐羅巴無(wú)疑是一個(gè)被放大的沃斯托克湖，既然沃斯托克湖能夠支撐生命的生存，那歐羅巴又為什么不能呢？

不朽的生命

很多細(xì)菌在遇到惡劣環(huán)境時(shí)，菌體可以形成一種叫芽孢的休眠體，它對(duì)熱、干燥、輻射都有很強(qiáng)的抗性；當(dāng)環(huán)境重新變得適宜細(xì)菌生活時(shí)，芽孢又萌發(fā)為菌體。芽孢的休眠能力相當(dāng)驚人，休眠幾百年甚至幾千年的芽孢重新萌發(fā)的例子并不鮮見(jiàn)。迄今為止，最為罕見(jiàn)的例子是分離自一只埋在琥珀中的2500萬(wàn)年前的蜜蜂身上的芽孢仍然可以萌發(fā)。但前不久，一組美國(guó)科學(xué)家卻宣稱(chēng)，他們喚醒了“休眠”了2.5億年的芽孢，這些芽孢原本沉睡在一個(gè)古老的地下巖洞的一些鹽結(jié)晶體中。科學(xué)家們小心地在無(wú)菌狀態(tài)下將它們?nèi)〕霾⑥D(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)基上，很快它們便“蘇醒”過(guò)來(lái)并進(jìn)行代謝活動(dòng)和繁殖。它們十分喜歡鹽分，必須在含有20％鹽分的培養(yǎng)基上方能生長(zhǎng)。這些古老的細(xì)菌非常類(lèi)似今天的芽孢桿菌，可能二者存在親緣關(guān)系。目前，這組美國(guó)科學(xué)家正在分析5億年前甚至8億年前的鹽晶體，以期有更驚人的發(fā)現(xiàn)。

這一驚人的發(fā)現(xiàn)似乎為生命來(lái)自太空提供了佐證。生命的種子要從一個(gè)星球向另一個(gè)星球撒播，必須經(jīng)受住漫長(zhǎng)太空旅行的考驗(yàn)。它們能否經(jīng)受住如此嚴(yán)酷的考驗(yàn)的確也考驗(yàn)著人們的想象力，美國(guó)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)似乎為這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)肯定的答案。

來(lái)自深層地下的生命

在深層地下也存在生命是勿庸置疑的，很早以前人們就從深層礦井中分離到微生物?？茖W(xué)家們?cè)谀戏堑囊粋€(gè)金礦下3.2千米處發(fā)現(xiàn)微生物，但這可能并不算是深層地下生命的極限。一些科學(xué)家曾指出，地層深度對(duì)微生物來(lái)說(shuō)也許根本不是一個(gè)限制，真正的限制可能是溫度。目前世界上公認(rèn)的最耐熱的生命是一種超嗜熱古菌——熱葉菌，它可在113℃下生存，這相當(dāng)于地下5千米處的溫度。深層地下生命生存的地方除了光禿禿的巖石和一些水外，就是高溫和無(wú)邊的黑暗，那么這些微生物是靠什么生存的呢？

深層地下顯然缺乏大部分微生物生存所需的有機(jī)物，即使存在的少量有機(jī)物也不足以維持相對(duì)繁榮的微生物群落，于是人們自然把目光轉(zhuǎn)移到地球上的一類(lèi)獨(dú)特的生物——利用化學(xué)能的微生物。這類(lèi)微生物的生存不依賴(lài)于陽(yáng)光，僅靠氧化某些還原性物質(zhì)（如氫氣、硫化氫、亞鐵離子）來(lái)獲得能量進(jìn)而把二氧化碳轉(zhuǎn)化為自身的物質(zhì)，深層地下生命系統(tǒng)或許就是以這類(lèi)微生物作為初級(jí)生產(chǎn)者。不久前，一組美國(guó)科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)微生物群落，DNA的分析表明這些地下微生物屬于一類(lèi)產(chǎn)甲烷的古菌，它們?cè)趪?yán)格厭氧的條件下靠氧化溶解在水中的氫氣獲得能量，在利用二氧化碳的同時(shí)產(chǎn)生甲烷這種副產(chǎn)品。它們生存所需的氫氣據(jù)推測(cè)來(lái)自巖石和水的一些微妙的化學(xué)反應(yīng)。

地下生命的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑證明了地下也可能是生命的樂(lè)土，這可能為我們尋找外星生命指示了方向。到目前為止，尚未在我們的近鄰火星表面發(fā)現(xiàn)液態(tài)水和生命的蹤影，但火星表面明顯有被洪水沖刷的痕跡，這證明至少在其歷史上水是很充裕的?，F(xiàn)在的疑問(wèn)是：這些水上哪里去了？火星上是否還殘存有水？一個(gè)可能的答案是部分水滲到了火星地表下并且保留到了今天。最近奧德賽探測(cè)器在火星南半球淺表層發(fā)現(xiàn)了大量水冰，這似乎也證實(shí)了這種猜想。如果真是如此，火星地下少量的液態(tài)水就足以維持一個(gè)生機(jī)勃勃的“食氫”細(xì)菌世界。

嗜壓生命

以前人們?cè)缫褟拇笱蟮撞俊⑸顚拥V井這些地方分離到嗜壓或耐壓的微生物，但它們能承受1000個(gè)大氣壓就相當(dāng)了不起了。近期的一篇報(bào)告讓科學(xué)家們大跌眼鏡：在科學(xué)家們制造的超過(guò)10000個(gè)大氣壓的環(huán)境中，100萬(wàn)個(gè)受試大腸桿菌和另外一種細(xì)菌中的1％居然仍能夠存活并完成正常的代謝活動(dòng)。這似乎已超過(guò)了人們的想象，因?yàn)檫@個(gè)壓力相當(dāng)于地殼下30千米或一個(gè)假想的海面下100千米處的壓力，而大腸桿菌在人們眼中可是最普通的細(xì)菌啊!這一發(fā)現(xiàn)表明木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四等星球的深水及冰層，以及火星的極地冰蓋下的超高壓并不一定能阻礙細(xì)菌的正常生長(zhǎng)。

嗜酸生命

自然界中有許多喜歡酸性環(huán)境的細(xì)菌，科學(xué)家們稱(chēng)之為嗜酸菌，它們?cè)谒嵝詶l件下旺盛生長(zhǎng)，在中性或堿性條件下生長(zhǎng)不良，甚至死亡。最近，美國(guó)科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)卻堪稱(chēng)這類(lèi)細(xì)菌的極限。他們?cè)跍y(cè)量一個(gè)廢棄銅礦的酸礦水深度時(shí)意外發(fā)現(xiàn)水中充滿了細(xì)菌，這些細(xì)菌生長(zhǎng)的最適應(yīng)pH值是1.2，但它們最低可以耐受到pH值為0（氫離子濃度比普通細(xì)胞正常生長(zhǎng)所需高出100萬(wàn)倍）的酸度，在酸度超過(guò)pH值為2.5后便不再生長(zhǎng)。更奇妙的是，這些細(xì)菌居然沒(méi)有普通細(xì)菌都有的保護(hù)性外殼——細(xì)胞壁，而只裹了一層細(xì)胞膜。它們是如何靠這層薄薄的細(xì)胞膜抵御強(qiáng)酸和酸礦水中的大量重金屬離子的毒害還不得而知，但據(jù)推測(cè)，這些細(xì)菌在酸礦水的形成和鐵、硫的礦質(zhì)循環(huán)中扮演著重要角色。目前科學(xué)家們已在其他礦場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的細(xì)菌，可見(jiàn)它們有可能廣泛分布在自然界中。

可以肯定，在我們的星球上還有許多極端生命尚未被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，要完全揭開(kāi)這些生命的奧秘尚需漫長(zhǎng)和艱巨的工作，但目前的這些發(fā)現(xiàn)意義畢竟重大，它大大拓展了生命生存的疆域，無(wú)疑也支持了20世紀(jì)微生物學(xué)家布勞克提出的“只要水保持液態(tài)就有發(fā)生生命的可能”的觀點(diǎn)。這些都必將為人類(lèi)對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)帶來(lái)質(zhì)的飛躍，為我們尋找外星生命帶來(lái)無(wú)窮的信心。

顧國(guó)建圖