在20世纪80年代和90年代,生物学家发现微生物在极端环境中生存有很大的灵活性——例如酸性或非常热的小生境——这对于复杂的生物体来说是完全不适宜的。一些科学家甚至得出结论,地球上的生命可能始于海洋表面下的深海热泉[3]。
根据天体物理学家斯坦恩·西古尔德森(Steinn Sigurdsson)的说法,“在地球上已经发现了4000万年的活细菌孢子——我们知道它们对辐射的抵抗力很强。[4]” 在南极洲冰下半英里深的湖中和地球海洋中最深的马里亚纳海沟中发现了一些生活在寒冷黑暗中的细菌[5][6][7] 。在美国西北部海岸8500英尺(2600米)以下海底1900英尺(580米)以下的岩石中发现了一些微生物[6][8]。根据一位研究人员的说法,“你可以在任何地方找到微生物——它们对环境适应性极强,无论在哪里都能生存。[6]”嗜极生物适应性的关键是它们的氨基酸组成,在特定条件下影响它们的蛋白质折叠能力。
比利时根特大学的汤姆·盖恩斯和他的一些同事发表的研究成果表明一种芽孢杆菌属细菌的孢子在加热到420摄氏度(788华氏度)后仍然存活[9],
地球上已知生命的极限[10] | |||
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因素 | 环境/来源 | 限制 | 例子 |
高温 | 海底热泉 | 110℃至121℃ | 延胡索酸火叶菌,激烈火球菌 |
低温 | 冰 | -17℃至-20℃ | lividus聚球藻 |
碱性系统 | 苏打湖 | 酸碱度> 11 | 冷杆菌、弧菌、节杆菌、钠杆菌 |
酸性系统 | 火山泉,酸性矿井排水 | 酸碱度-0.06至1.0 | 芽孢杆菌,矛盾梭菌 |
电离辐射 | 宇宙射线、x光、放射性衰变 | 1,500至6,000 Gy | 耐辐射球菌、红色杆菌、热球菌 |
紫外辐射 | 阳光 | 5,000焦耳/平方米 | 耐辐射球菌、红色杆菌、热球菌 |
高气压 | 马里亚纳海沟 | 1,100巴 | 火球菌属。 |
盐分 | 高盐浓度 | aw ~ 0.6 | 盐生杜氏藻,盐杆菌科 |
干燥 | 阿塔卡马沙漠(智利)、麦克默多干旱河谷(南极洲) | 约60%的相对湿度 | 嗜铬球菌属 |
地壳深处 | 进入一些金矿 | 头足类动物,短尾鲵,不明节肢动物 |
有许多种类的极端微生物分布在全球各地;每一种都对应于其环境生态位不同于嗜温条件的方式。这些分类并不排斥。许多极端微生物属于多种类别,并被归类为多极端微生物细胞。例如,生活在地球表面深处的热岩石中的生物是嗜热的和嗜压的,例如嗜压热球菌[11] 。住在阿塔卡马沙漠山顶上的一个多极端微生物细胞可能是一个耐辐射的嗜干燥细胞、嗜冷细胞和寡营养细胞。众所周知,多极端微生物具有耐受高和低酸碱度的能力[12]。
天体生物学是对宇宙中生命的起源、进化、分布和未来的研究:地外生命和地球上的生命。天体生物学利用物理学、化学、天文学、太阳物理学、生物学、分子生物学、生态学、行星科学、地理学和地质学来研究其他星球上存在生命的可能性,并帮助识别可能不同于地球的生物圈[18]。 天体生物学家对研究极端微生物特别感兴趣[19],因为它们的栖息地可能类似于其他星球的条件。例如,南极洲的类似沙漠暴露于有害的紫外线辐射、低温、高盐浓度和低矿物浓度。这些条件与火星上的相似。因此,在南极洲地下发现有活力的微生物表明可能有微生物存活在旧石器时代的群落中,并生活在火星表面之下。研究表明火星微生物不太可能存在于地表或浅层,但可能在大约100米的地下深处发现[20]。
日本最近对极端微生物进行的研究涉及多种细菌,包括处于极端重力条件下的大肠杆菌和脱氮副球菌。细菌在超速离心机中以相当于403,627克(即地球重力的403,627倍)的高速旋转的同时培养。脱氮副球菌是一种在超加速条件下不仅表现出存活而且表现出强健细胞生长的细菌,这种超加速条件通常只在宇宙环境中发现,例如在非常巨大的恒星或超新星的冲击波中。分析表明,原核细胞的小尺寸对于超重力条件下的成功生长至关重要。该研究对胚种论的可行性有一定的启示[21][22]。
2012年4月26日,科学家报告说,在德国航空航天中心(DLR)维护的火星模拟实验室(MSL)中,地衣在火星条件下34天的模拟时间内存活,并对光合活性的适应能力显示出显著的结果[23][24]。
2013年4月29日,由美国航天局资助的伦斯勒理工学院的科学家报告说,在国际空间站进行航天飞行期间,微生物似乎以“在地球上没有观察到的”和“可能导致生长和毒性增加”的方式适应空间环境[25]。
2014年5月19日,科学家宣布,许多微生物,如凤凰特氏菌(Tersicoccus phoenicis),可能对航天器装配洁净室中通常使用的方法产生耐药性。目前还不知道这种耐药微生物是否能够经受住太空旅行,并出现在火星上的好奇号探测器上[26]。
2014年8月20日,科学家证实了生活在南极洲冰下半英里处的微生物的存在[27][28]。
2015年9月,来自意大利国家研究委员会的科学家报告说, soflataricus能够在被认为对大多数细菌极其致命的火星辐射下生存。这一发现意义重大,因为它表明不仅细菌孢子,而且生长中的细胞也能显著抵抗强紫外线辐射[29]。
2016年6月,杨百翰大学的科学家们最终报告说,枯草芽孢杆菌的内生孢子能够经受高达299±28米/秒的高速撞击、极度震动和极度减速。他们指出,这一特征可能允许内生孢子存活下来,并通过在陨石内旅行或经历大气破坏而在行星之间转移。此外,他们认为宇宙飞船的着陆也可能导致星际孢子转移,因为孢子在从宇宙飞船喷射到行星表面时可以在高速撞击下存活。这是第一项报道细菌能在如此高速的撞击中存活的研究。然而,致死冲击速度是未知的,应该通过向细菌内生孢子引入更高速度的冲击来进行进一步的实验[30]。
爱达荷州国家实验室研究人员从黄石国家公园发现的一种生物——布氏栖热菌(Thermus brockianus)中分离出热链烷酸过氧化氢酶,它能引发过氧化氢分解为氧气和水。过氧化氢酶的工作温度范围为30℃至94℃以上,酸碱度范围为6–10。这种过氧化氢酶在高温和酸碱度下与其他催化酶相比极其稳定。在一项比较研究中,布罗克氏曲霉过氧化氢酶在80℃和酸碱度10下显示出15天的半衰期,而来自黑曲霉的过氧化氢酶在相同条件下具有15秒的半衰期。过氧化氢酶将应用于工业过程中过氧化氢的去除,如纸浆和纸张漂白、纺织品漂白、食品巴氏杀菌和食品包装的表面去污[34]。
一些生物技术公司在商业上生产用于临床诊断和淀粉液化的DNA修饰酶,如Taq DNA聚合酶和一些芽孢杆菌酶[35]。
已知超过65种原核生物自然具有遗传转化的能力,即从一个细胞转移DNA到另一个细胞,然后将供体DNA整合到受体细胞的染色体中的能力[36] 。如下所述,几种极端微生物能够进行物种特异性的DNA转移。然而,目前尚不清楚这种能力在极端微生物中有多普遍。
耐辐射球菌是已知最耐辐射的生物之一。这种细菌也能在寒冷、脱水、真空和酸性环境下存活,因此被称为一种多极端微生物。耐辐射球菌有能力进行遗传转化[37] 。受体细胞能够修复受紫外线照射的供体转化基因的损伤,就像细胞自身受到照射时修复细胞基因一样有效。极端嗜热细菌和其他相关嗜热菌物种也能够遗传转化[38]。
火山盐杆菌是一种极端嗜盐(耐盐)的古细菌,能够自然遗传转化。细胞质桥形成于细胞之间,细胞之间的DNA从一个细胞转移到另一个方向[39]。
嗜热硫矿硫化叶菌和嗜酸热硫化叶菌是超嗜热古菌。将这些生物体暴露于紫外线照射、博莱霉素或丝裂霉素C的DNA破坏剂中会诱导物种特异性细胞聚集[40][41] 。紫外诱导的酸乳链球菌细胞聚集以高频率介导染色体标记物交换[41] 。重组率比未诱导的培养物高三个数量级。 Frols[40] 和Ajon等人[41]。假设细胞聚集增强了酸热硫化叶菌细胞之间物种特异性的基因转移,以便通过同源重组修复受损的基因。Van Wolferen等人[42] 指出,在高温等破坏基因的条件下,这种基因交换过程可能至关重要。也有人提出,酸热硫化叶菌中的DNA转移可能是性相互作用的早期形式,类似于更深入研究的细菌转化系统,该系统涉及物种特异性DNA转移,导致DNA损伤的同源重组修复[43] (见转化(遗传学))。
胞外膜泡可能参与不同超嗜热古菌物种之间的基因转移[44] 。已经表明质粒[45] 和病毒基因组[44]都可以通过膜泡转移。值得注意的是,已经记录了分别属于热球菌目和甲烷球菌目的超嗜热热球菌属和甲烷球菌属物种之间的水平质粒转移[46]。
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