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一次度假的偶然发现,让他最终改变了人类对生命的认识……

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  药明康德内容团队编辑

  对比现代熙攘的城镇,大自然的鬼斧神工永远令人心动。在美国,黄石国家公园就是许多人的度假首选之一,无论是被细菌染得五彩斑斓的大棱镜热泉、如劈开山脉彩缎的黄石河、还是银链似瀑布湍急奔泻的黄石大峡谷,壮丽华美的黄石公园不断吸引着一波波心驰神往的游客。

  

  黄石公园 | 123RF

  这些艳丽动人的颜色带给人类的不仅是美学上的赏心悦目,它们还引发了一场重要的科学探索,对人类的科学、技术、社会产生了深远影响。1960年代,一位微生物学家在黄石公园的发现,最终启发分子生物学家带来了一种变革性的技术——PCR。

  旅途中的发现

  1964年,研究细菌的微生物学教授Thomas Brock在度假期间驱车前往黄石公园。根据他的回忆:“我下车时,碰巧赶上护林员在一个碧莹莹的热水池旁讲解。他说热泉美丽的颜色是因为蓝细菌(blue-green algae),我立刻来兴致了。”

  Brock教授非常好奇这种微生物怎么能在这么高的温度生存——要知道,黄石公园许多热池的温度甚至超过了水的沸点。他发现原核生物即使在沸水中也能茁壮成长。这些原核生物附着在温泉岩石般的墙壁或卵石上,有时它们缠绕在一起的长细丝堆积在河道底部。

  

  从黄石公园高温水流中采集到的细菌可以快速生长 | 参考资料[3]

  在黄石公园的发现让Brock教授的研究重心转向了生活在高温中的微生物。1965-1971年持续的野外工作中,Brock教授从火山口的许多热池、间歇泉池、蒸汽出口中采集了生物样本。他和同事在这些极端高温的环境中均发现了微生物,包括之前未知的物种,Brock教授把这种微生物命名为“水生栖热菌(Thermus Aquaticus)”

  生命的上限温度

  接着,Brock教授将他的采样地点扩大到全球各地的温泉池,结果仍是一样的,有微生物生活在这些极端炎热的环境中。令人惊讶的是,除了生活在沸水中,这些微生物的生长速度快得惊人:一个种群可以在2小时内翻倍。

  之前的科学研究表明,这种极端环境无法维持生命。而Brock教授决定推翻这一认知,开辟一条全新的科学研究路线。

  1967年,Brock教授在《科学》上发布了一篇突破性的论文,推断“不存在生命的上限温度”。

  

  Brock教授1967年发表在《科学》上的论文 | 参考资料[3]

  这个结论挑战了当时人们有关生命基本条件的科学认知:即有机体可存在的温度环境是有范围的。此后,世界各地的微生物学家开始尝试在极端条件下寻找其他微生物。他们发现许多微生物可以生活在拥有极端温度(高温或寒冷)、干旱或酸碱等极端环境中。科学家们把这些微生物统称为“极端微生物(extremophiles)”。

  事实上,Brock教授在黄石公园的发现拓展了医学细菌学的领域,点亮了微生物生态学的领域。

  深远的影响

  有人说,生物学可以被划为两个时代:一个没有PCR,一个有PCR。

  20世纪80年代末,生物化学家Kary Mullis博士在寻找一种更好的方法研究DNA分子。在他的试管反应实验中,他需要一种酶来复制数百万个单一的DNA分子。这种酶必须能在高温下工作,Mullis博士在汗牛充栋的浩繁卷帙中寻找方法。其中,Brock教授采集并保存在菌种库的“水生栖热菌”样本启发了他

  Mullis博士和同事立刻买了一堆水生栖热菌培养,并从中获得了Taq聚合酶(Taq polymerase)。酶的耐热性使Mullis博士能够快速廉价地复制基因并确定其独特的化学序列。基于Taq酶的测试过程被起名为聚合酶链反应(PCR, Polymerase Chain Reaction)。Mullis博士因为发明PCR荣获1993年的诺贝尔化学奖。

  

  PCR之父去世了,我们很怀念他 | 诺贝尔奖官网

  PCR技术对现代生物学的重要性无须多言,为科学与社会开辟了许多前景。通过PCR可对基因进行测序,使科学家能识别物种并建立进化关系;基于基因信息的医学诊断与治疗建立在PCR的基础上;警察和法院也依赖PCR来识别罪犯、确定亲子关系、以及解决其他复杂问题;最近环境学家还在使用PCR和其他DNA技术来跟踪污染、监测生态系统的健康以保护物种。

  大自然的启示

  其实,我们对生命能在沸水中茁壮成长感到惊讶,是因为我们的人类中心主义倾向。的确,人类和其他动物对热非常敏感,但是复杂神奇的生物世界比我们从经验中认识到的更加多样化。生命,尤其是原核生命,能够适应对人类致命的环境条件。

  许多科学家认为,我们所知的生命最初可能出现在大约30亿年前的高温环境中,因此地球上最初的生物可能是嗜热生物。这样的嗜热生物就会继续在地球上存在,在继续点缀地球的温泉热池中寻找庇护所。此外,这些嗜热生物可能是所有其他生命形式的先驱,也包括人类。

  

  Thomas Brock教授 | 参考资料[4];Credit:University of Wisconsin–Madison

  在2018年的一次电话采访中,耄耋之年的Brock教授提及黄石公园非凡的自然美景,笑道:“我很幸运能够在这个星球上最令人兴奋的地方之一做十年的研究。” 就在不久前,Brock教授逝世,享年94岁。

  在未来的日子里,大家享受心旷神怡美景的同时,不妨可以多花时间认真观察瑰丽的大自然,动一动脑筋。地球不断以各种方式给我们人类启示,说不定发现下一个科学突破的人就是你!

  参考文献

  [1] Microbiologist Thomas Brock Dies at 94. Retrieved April 23, 2021, from https://www.the-scientist.com/news-opinion/microbiologist-thomas-brock-dies-at-94-68708

  [2] Discovering Life in Yellowstone Where Nobody Thought it Could Exist. Retrieved from https://www.nps.gov/articles/thermophile-yell.htm

  [3] Thomas D. Brock. Life at High Temperatures (1967) Science Doi:DOI: 10.1126/science.158.3804.1012

  [4] Tom Brock, who discovered world-changing extremophiles, dies at 94. Retrieved May 3 2021 from https://news.wisc.edu/tom-brock-who-discovered-world-changing-extremophiles-dies-at-94/

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