多细胞生物能在多高的温度下完成繁殖?此前的答案是60摄氏度。现在,这个数字被改写成63摄氏度。
科学家在加利福尼亚州拉森火山国家公园的热水塘里,找到了一种能在前所未有的高温环境中生存的多细胞极端微生物。它被命名为 Incendiamoeba cascadensis,昵称"火变形虫"。
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这项发现已于9月22日发表在《细胞》期刊上,对地外生命搜寻工作具有潜在意义——它拓展了有可能孕育复杂生命体的环境范围。
63℃繁殖,80℃才死亡
能在极端环境下存活的生物被统称为极端微生物。如果这类极端环境以高温为主,对应的就叫嗜热生物。火变形虫正属于后者。
实验给出的温度曲线相当清晰:
- 63摄氏度:可以通过细胞分裂完成自我繁殖
- 64摄氏度:依旧保持完全活性,只是不再繁殖
- 66摄氏度:仍保留部分生理活性
- 70摄氏度:停止生命活动,但后续还能恢复过来
- 80摄氏度:死亡
单细胞生物早就在更高温度下活得好好的。坎氏甲烷嗜热菌最高可以在122摄氏度的环境下存活并且繁殖。但这类单细胞原核生物没有细胞核与细胞膜,而高温环境下这两种结构很容易遭到破坏——正是缺少这些细胞结构,才让它们能在超过水沸点的温度下存活。
复杂的多细胞生命,也就是生命分类当中的"真核生物",对高温的耐受能力要弱很多。真核生物的细胞具备细胞核以及细胞膜,这成了它们的软肋。此前多细胞生物能够完成繁殖的最高温度记录是60摄氏度,由部分真菌与红藻创下。研究人员一度比较悲观,认为真核生物很难在更高的温度下正常生存繁衍。
秘密藏在基因序列里
锡拉丘兹大学研究生、本次研究的首席科学家贝丽尔·拉帕波特在一份声明中表示:"一定程度上,针对真核生物的相关研究此前受到限制,原因在于大家先入为主地设想了细胞膜的稳定上限。我们希望 Incendiamoeba cascadensis 这一发现能够鼓励更多科研人员继续去搜寻耐高温的真核生物。"
想解开火变形虫耐高温的秘密,线索就在它的基因序列当中。拉帕波特的研究团队识别出一批基因,这些基因能够在63摄氏度的环境下稳定并且保护脱氧核糖核酸;还有一部分基因负责帮助火变形虫感知周边环境与温度。部分基因甚至会在高温环境下提升自身活性,比如帮助火变形虫完成蛋白质折叠,以此实现各类生理功能。
拉帕波特说:"我们找到了许多可以帮助 Incendiamoeba cascadensis 在高温下存活的生存机制,其中一部分生存策略有可能为所有嗜热生物所共用。举例来说,火变形虫体内部分蛋白质带有很高的表面正电荷,这有助于维持蛋白质结构稳定。这类蛋白质电荷特征,和嗜热细菌以及古菌身上观察到的情况十分相似。"
有意思的是,火变形虫的脱氧核糖核酸当中存在部分基因片段,和远至新西兰、美国黄石国家公园等地的地热样本里检出的DNA片段相类似。这就意味着 Incendiamoeba cascadensis 本身,或是它的近缘物种,有可能分布在世界各地,只是还尚未被人类发现。
地外生命搜寻的边界被推远了一点
类似的嗜热生物或许也可以存在于地球之外。太阳系之内没有其他星球拥有和地球相仿的温和环境:要么过热或者过冷,要么辐射太强或是光照不足,要么酸度偏高或是遍布有毒物质。而在太阳系之外,人类至今还没有找到一颗环境与地球相同的行星。
不过部分地外环境理论上可以支撑这类极端微生物生存,例如火星,或是木星拥有地下海洋的卫星木卫二。因此火变形虫的发现,拓宽了真核生命(人类同样属于真核生物)能够在其他星球上存活的温度区间。
拉帕波特也作出了提醒:"像 Incendiamoeba cascadensis 这样的复杂生命当然有可能在别的行星存活。但目前我们所知,只有地球能够全部满足该生物舒适生存所需要的各项条件。并不只是温度一项指标而已;环境还必须具备合适的酸度、含氧量、压强、水资源以及食物来源。Incendiamoeba cascadensis 无法独立生存,它还需要其他生命提供生存支持。"
所以即便水星温度很高,这颗没有大气、荒芜贫瘠的星球也无法让嗜热生物存活。不过在一些行星上——如果轨道相比传统宜居地带更靠近恒星,或是火山活动十分活跃,同时又具备液态水,嗜热生物就有可能找到栖息地;木星上火山活跃的卫星木卫一就并不满足有水这一条件。
从60摄氏度到63摄氏度,只多了3度。但这3度背后,是一整套此前被认为真核生物难以企及的生存机制。
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