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极端微生物:将生物学带入新领域

文章来源: 本站 发布时间:2014-04-28 阅读次数:756

极端微生物:将生物学带入新领域
2014-04-17 05:37 来源:光明网-《光明日报》 

  海底热液喷口、盐湖、酸碱泉、深海……在这些本不应该存在生命的环境中,科学家们找到了微生物,并将它们统称为“极端微生物”。美国科学家认为,对极端微生物的研究或许是寻找外星人的关键——宇宙中的生命形式可能是多样化的,或许就可能在耐酸、较高温度环境中生存。美国航空航天局艾姆斯研究中心的科学家正在试图通过基因工程可“创造”出适应极端环境的微生物。我国科学家也在研究极端微生物,他们认为,极端微生物的生命策略和适应环境的多样性或许早已解决了科学家今天仍在寻找答案的那些问题。

  地球生命形式的独特风景线

  极端微生物是指能够在如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等极端环境中正常生长繁殖的微生物,而这些极端环境对普通生物(包括人类)而言是不可耐受的,一度被认为是生命禁区。

  但其实,从生命现象发生以来,极端微生物在地球生物圈中业已存在,只是由于生产和科学技术的局限,直到19世纪末人们才逐渐在生活和生产实践中认识到这一大类特殊生命群体。从接近沸点的温泉和海底火山口、寒冷的南北极区、盐湖和酸碱泉到高寒及高压的深海环境等,无处不活跃着极端微生物的身影。

  极端微生物根据生存环境不同可分为嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜盐、嗜压以及抗辐射、耐干燥、抗高浓度金属离子和极端厌氧的微生物等类群,它们构成了地球生命形式的独特风景线,它们在细胞构造、生命活动和种系进化上的突出特性,以及存在的原理与意义,为更好地认知生命现象、发展生物技术提供了宝贵的知识源泉。

  像其他微生物一样,极端微生物也具有丰富的多样性。目前科学界已发现的、支持极端微生物生长的最高温度极限为121℃,最高pH达11,最低pH值接近0,最高盐浓度达到饱和的5.2摩尔,耐辐射剂量20kGy(是人致死剂量的2000倍)以上,压强达130MPa(相当于13000米水深)以上等。

  探索生命极限的线索

  极端微生物不仅代表了生命适应环境的多样性及其可能的范围,对探究生命的起源、生命的进化或地外生命都具有非凡意义。从分类角度看,目前地球的生物圈可以分为三大领域:细菌、古菌和包括人类的真核生物(动物和植物)。其中细菌和古菌均属于原核微生物;绝大多数古菌和少部分细菌都是极端微生物。这些极端微生物为地球的生物圈界定了环境极限的边界条件,也提供了探索生命极限的线索。

  科学家们相信,极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源宝库和极其珍贵的科研素材。开展极端微生物的研究,对于揭示生物圈起源的奥秘,阐明生物多样性形成的机制,认识生命的极限及其与环境相互作用的规律等,都具有极为重要的科学意义。

  例如极端微生物尤其是许多超极端的古菌,它们均属于生命树根部的进化分支,而且生理特征和生活环境与地球开始出现生命时的地质化学和环境状况可能相似。因此这些极端微生物可能代表了最古老的生命类群,是寻找最早生命形式和探索生命起源最重要的研究对象。例如,近年来,生命的“热起源”假说形成了关于生命起源的主流,但对此假说也有质疑——嗜热物种究竟是祖先,还是在极端环境的压力下选择进化的结果。对嗜热微生物的研究将有助于对生命“热起源”假说的进一步认识。

  极端微生物中发现的适应机制,还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。例如耐辐射细菌所耐受的高辐射剂量,在地球上从未出现过,甚至催生了地球生命的外星球起源的假说。

  更有意义的发现是,古菌遗传信息传递与真核生物的极其相似,因而古菌很可能成为了解真核生物,甚至我们人类的遗传信息传递系统的有效模型。

  随着研究的深入,科学界对极端微生物的研究兴趣越来越浓厚。短短40年间,对极端微生物多样性的研究取得了很大进展。仅超嗜热菌就从1972年的2个种增加到目前的80多个种,其他各类极端微生物的种也有200多个。随着研究的深入和新研究方法的采用,微生物生存的环境条件极限也将不断地被改写着。

    为现代生物技术带来革命性进步

  从更现实的角度上看,极端微生物特殊的基因与产物,也为工业、农业、人类健康的发展提供新的途径,为现代生物技术带来革命性进步。

  极端微生物的酶和代谢产物已成为生物技术创新的源泉之一,并已经创造了财富。目前在国际上已经实现大规模产业化的极端酶有两个,一个是嗜热菌产生的Taq DNA聚合酶,使DNA的体外复制变得异常简便和常规化,大大加快了生物工程、基因组等分子生物学研究的进程,年销售利润达到上亿美元;另一个是嗜碱菌产生的一种纤维素酶作为洗涤剂的添加剂,已有数十亿美元的全球市场。此外,嗜盐古菌的质子泵“紫膜”蛋白有望用于光学信息处理和光储存、生物芯片和生物计算机、全息照相和存储、仿视觉功能人工视网膜、图像传感器和运动探测等高科技产业领域。在国际上,极端嗜盐菌产生的生物可降解生物材料正逐步取代不可生物降解的化学合成材料。同时,来自于极端微生物的生物催化剂有望使生物催化突破高压、高温、低温、高盐碱或有机溶剂等工业过程屏障。

  在环境保护方面,工业产生的废水一般是酸性、碱性或含盐量大的环境,只有合适的极端微生物才能够分解其中可能造成环境污染的物质,在净化水质、提供生活用中水的同时,结合化学和生物的手段还能够将有害物质转换为能源。而在理想的清洁能源酒精的生产中,利用高温菌的高温酒精发酵,可实现发酵和蒸馏的同步化,可望大大降低生产成本,其产生的效益将达到数亿元。

  在农业方面,极端微生物能够耐低温、耐高盐碱及耐干旱等极端环境的特殊功能基因,是盐碱地生物改造、高温高盐碱环境的污染治理的重要基因资源。

  另外,极端微生物也已成为新的抗生素和新药的重要来源。长期的进化以及特殊的生活环境决定了极端微生物独特的代谢和生理能力,能够产生普通生物所没有的活性物质。目前已经从各类极端微生物中提取到多种结构新颖的抗生素,因此极端微生物及其特殊的产物有可能形成新的产业方向,其特殊的功能和适应机制,是改造传统生产工艺和提升生物技术的有效途径。

  极端微生物生命策略和适应环境的多样性说明它们早已解决了科学家今天仍在寻找答案的那些问题,对其的开发应用将提供缓解资源、环境压力、保障社会可持续发展的有效途径。

  相关链接

  我国研究现状

  我国特殊的地理环境造就了得天独厚的极端微生物资源。我国的极端微生物研究起步于20世纪60年代,1998年中国科学院人类基因组计划对嗜热的云南腾冲嗜热厌氧杆菌进行全基因组测序,从而开创了我国微生物基因组时代。科技部2004年启动了我国第一个关于极端微生物的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“极端微生物及其功能利用的基础研究”。2006年国家自然科学基金委启动了我国微生物领域第一个创新群体项目“极端环境微生物生命特征及环境适应机理”,对极端环境微生物的生理和遗传机理进行深入的研究。近年来,我国极端微生物的研究正不断向新的地域和领域扩展。以大洋一号为依托,国家海洋局开始了深海极端微生物的研究;同时他们利用极地考察队从北极带回的样本,正进行北极极端嗜冷微生物的研究。

  但我国在极端微生物基础研究上表现出优势的同时,也存在着产业化发展的严重不足。企业对该领域几乎没有涉足,产学研结合的路径尚未打通,导致这个有着极大应用潜力的领域,没有能够充分发挥其产业优势。而这也是我国整个生物产业所面临的共同问题。

(作者:周成)

                                                                                                    [责任编辑:崔益明]

 

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