极端条件下的生命形式——以深海黑烟囱生物群为例
5.2.1 极端条件下会有生命吗
传统的观点认为生命是娇嫩的,它们经受不住“烈火的冶炼”,所以它们应该在风和日丽的条件下生存,应该在阳光明媚、常温、常压、有氧和无毒的条件下诞生繁衍。但是,20世纪70年代的发现,完全颠覆了这个传统的观点。这个颠覆要从1977年10月轰动全世界的阿尔文(Alvin)号深海考察说起。
1977年10月,以美国Bischoff博士为首,由美国、法国、墨西哥等国的地质学家和生物学家组成的科学考察组,乘坐世界上第一个最先进的深潜器阿尔文号,潜入东太平洋大洋中脊的加拉帕戈斯(Galapagos)大洋裂谷水下2500~2700米深处进行考察,意外地发现了神奇的黑烟囱生物群——一种在1977年10月前,全世界的科学家都从未见过的、生活在极端环境下的生物群。这个发现震惊了全球所有的人群,它使生命起源的学说发生了180°的改变,这个改变是地质学和生物学碰撞的结果。
世界上第一个最先进的深潜器——美国的阿尔文号
5.2.1.1 大洋裂谷考察序幕
大洋裂谷——地幔物质上涌的地方,过去只存在理论书中。它是什么样子,谁也没有见过,它是全球地质学家梦幻般的“圣地”,谁都想去“朝拜”。能否前去看看,这是地质学家们百年来的梦想。其实,更想去看看的是生物学家,他们对大洋深处万米深渊中有没有生物已经争论了好几百年,也没定论,都想揭开谜底。生物学家认为,生命起源的谜底能否揭开,就看深海这个“黑匣子”能否打开了。可是,在大洋深处的万米深渊压力太大,有大约1100个大气压,任何潜水衣都会被压得粉碎。
时间进入了1952年,比利时布鲁塞尔自由大学教授皮卡德父子建造了当时世界上最先进的深潜器——得里雅斯特号深潜器,深海考察才露出了曙光。比利时人揭开了大洋裂谷考察序幕,开拓了一段惊心动魄、扣人心弦的大洋深渊考察历史。
1952年比利时得里雅斯特号深潜器刚一露头,就被敏锐的美国海军意识到了利用价值。他们于1958年用最高的价格,对得里雅斯特号深潜器和皮卡德父子进行了战略收买,并于当年建成了新型的得里雅斯特号深潜器。这个新的深潜器,排水量达15吨,能下潜5500米,1959年增潜到7315米。1960年1月,美国海军实施马里亚纳海沟的“挑战者深潜”计划——“浮游生物计划”。1960年1月23日上午8点15分,比利时的小皮卡德和美国海军上尉唐·沃尔什关上了9吨重的舱门,乘坐直径2米、壁厚127毫米、能承受1500个大气压的深潜器向马里亚纳海沟进发,12点6分到达马里亚纳海沟底部。这里水深11023米,压力1100个大气压,水温3.33摄氏度(比6000米处高一点),漆黑,流速为零。但是他们在这里发现了一条长30厘米、美丽绝伦的大红虾和一条长30厘米、宽15厘米的扁平状鱼。当时,小皮卡德博士和唐·沃尔什上尉的眼睛都要瞪出来了。消息披露后,许多生物学家都迫不及待地想到大洋深渊去看看。
1960~1977年,美国人将得里雅斯特深潜器发展成极为先进的阿尔文号深潜器。1977年10月,阿尔文号深潜至东太平洋大洋中脊的加拉帕戈斯大洋裂谷,发现了人们做梦也没见过的黑烟囱生物群。全面而又深入的大洋裂谷考察,开始了。
5.2.1.2 黑烟囱生物群
工厂的黑烟囱我们都见过。可是,你会相信万米深渊的大洋裂谷里会有黑烟囱吗?
(1)深海黑烟囱。1977年10月,当阿尔文号潜至加拉帕戈斯大洋裂谷时,考察人员都使劲地晃了晃脑袋,又使劲地眨了眨眼睛,想确定一下眼前所见的景象是幻影,还是现实。那里浓烟滚滚,烟囱林立。难道它们是建在大洋底下的“绝密军工厂”吗?——这就是,在此之前没有任何一个人能想象出来的、令人难以置信的、大洋裂谷里的黑烟囱。
大洋底黑烟囱
(2)黑烟囱如何形成。大洋底部的海水,通过洋底裂缝渗入地球深部,被加热并溶解其周围的物质,形成了含有丰富硫化氢、二氧化碳、甲烷等气体,金属硫化物和金、银、铂等“浓汤”的热液。然后,它们再从大洋裂谷中喷出。当这些高温的“浓汤”从洋底裂缝喷出遇上寒冷的海水时,便形成了浓浓的黑烟。黑烟中的金属硫化物和金、银、铂等溶液,因温度降低而凝结并堆积在喷气口周围,生成了黑烟囱的囱管,囱管越长越高,就形成了耸立在大洋深渊中浓烟滚滚的黑烟囱群。黑烟囱高约几米至几十米,一般2~5米;直径约几十厘米至几米,一般2~3米;寿命一般为20~30年。
深海黑烟囱
黑烟囱形成示意图
5.2.1.3 黑烟囱生物群中的明星——火把虫
当乘坐阿尔文号的科学家们靠近黑烟囱时,更加奇特的情景出现了:只见黑烟囱旁边插满了“火把”。待到贴近一看,原来是一种长得很像火把的生物,一种人们从未见过的生物,人们就亲切地称它们为火把虫。后来经过生物学家详细的室内研究,被命名为裂谷厚绒毛虫(Riftia pachypilat),属于环节动物门多毛纲的一种管状蠕虫。火把虫虽属蠕虫类,但却与所有的家族成员都不相同。它是个“丑小鸭”,是个异类,特别地怪——没有嘴,没有肠道,也没有肛门。火把虫的体长一般为1.5米(最长3米),管径一般37毫米左右。它分头部、颈部和栖管3部分。头部露在栖管外面,呈红色,其羽状物具呼吸功能;颈部像个围脖,把火把虫固定在栖管上;栖管为几丁质,白色,其“根”部固定在黑烟囱上。火把虫的生物量可高达176个/米2。
火把虫
5.2.1.4 黑烟囱的环境——火把虫的生存环境
如花般的火把虫,在黑烟囱边上长得如此茂密,如花丛一般,难道那里是海底“天堂”?让我们来仔细研究一下黑烟囱的环境。
热液刚从黑烟囱冒出来时的温度高达350~400摄氏度,管口水溶液的pH值为3~4(有时可达2.8,甚至1);热液中含有高浓度的有毒气体(19.5毫摩尔/升),如硫化氢、二氧化碳、甲烷等气体;含高毒性的金属硫化物溶液,如硫化铜、硫化铅、硫化锌、硫化铁、硫化钴、硫化镍等;同时还含有金属溶液如金、银、铂等溶液。水层中的压力高达250~270个大气压,含氧量接近于零,光照为零。所以,黑烟囱的环境对生命来说,是一种不可想象的高温、高压、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光的极端环境。传统的观点认为,在这种环境里是绝对不可能有生物的。那么,火把虫是何方“神圣”?能在如此极端的环境下生存呢?
5.2.1.5 火把虫奇特的生命形式
火把虫栖管中的温度可达80摄氏度以上。栖管内部是它的躯干,躯干里是Trophosome(营养体的器官和一套闭循环系统)。Trophosome内***生有几十亿个细菌,每毫升可达百万个,细菌的质量可占其体重的60%。它们是嗜热、嗜硫化氢的化学自养细菌(Chemosynthesis),栖管内的温度正好是它的最佳生长和繁殖温度。化学自养细菌利用黑烟囱的热能和氧气将H2S氧化,从而释放出化学能,然后利用这些化学能,将CO2和H2转化成有机碳,直接供给火把虫当营养物质,其化学式如下:H2S+CO2+O2+H2O→CH2O(有机碳)+S。但是,这里仍然还有许多问题使我们困惑。
问题一:居住在Trophosome内几十亿个细菌所需的H2S、O2、CO2是如何进入Trophosome内的呢?原来,火把虫有一个由脉管结构及一个类似心脏结构组成的闭循环系统,其内流动着含有血红素的体腔液,它可以吸收和携带H2S、O2、CO2,这些气体被头部摆动的羽状物源源不断地随水流进入羽状物,并被羽状物中的毛细血管床吸收,进入体腔液(“血液”),然后输送到营养体,供居住在Trophosome内几十亿个细菌“食用”。
问题二:进入火把虫体内的H2S不会毒死火把虫吗?不会。因为火把虫有一套独特的解毒机制。当含有H2S的“血液”流经可能被H2S伤害的组织时,“血液”的水分子会迅速和紧紧地将血红素圈闭起来,使H2S与组织细胞不能“亲密接触”而免受其害。
问题三:在制造有机碳过程中所产生的游离S也不会伤害火把虫吗?也不会。因为火把虫体内有一种能与游离S结合的特殊蛋白质,体壁内还有一种特殊的酶系统,可以氧化细胞内的游离S。所以,它对游离S具有解毒作用。
问题四:黑烟囱的寿命很短,“皮之不存、毛将焉附”?火把虫如何传宗接代?火把虫生殖传播方式是向水中释放大量的精子和卵子,受精卵发育成担轮幼虫后随洋流漂散,遇到新生的黑烟囱后就会定居下来。火把虫具有选择特征:生长快、性成熟也快,在新的黑烟囱“安顿”好后,很快又繁衍起来。这就是火把虫在如此极端环境下的生命形式。
5.2.2 极端生命形式
5.2.2.1 奇特的极端生命形式
在黑烟囱的极度的六高(高温、高压、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光)环境因素里,后面的五高(高压、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光)对许多黑烟囱生物来说相差不大。这里最引人注目的是它们所生活的温度差别,它们一个比一个极端。
火把虫细菌(吃硫化氢的化学自养细菌)80摄氏度左右的温度是其最佳的生长和繁殖温度,而Pyrococcus horikoshii为98摄氏度;Aeropyrum pernix为100摄氏度,在100摄氏度左右的还有Methanopyrsu kandleri与Pyrococcus abyssi。而发现在大西洋中脊北纬26°、西经45°且水深3650米的Pyrolobus fumarii,其生存的最适温度高达106摄氏度,其存活温度竟高至113摄氏度,更令人惊奇的是低于90摄氏度它却活不了。113摄氏度太极端了吧!不,还有更极端的呢!
Methanopyrus kandleri
2003年8月,美国科学家在太平洋中脊的黑烟囱,水深2400多米处发现了一种细菌,其最佳的生存温度竟高达121摄氏度,这个温度高得令人难以相信,最后被命名为121菌株。为什么细菌能在这么极端的环境下生存?它们具有“特异功能”吗?
5.2.2.2 极端生命的耐热机制
(1)因为它们具有特别的细胞膜结构。它们的细胞膜会随着温度升高,其双层类脂就会进行结构重排,如进行***价交联,形成植烷甘油二醚和双植烷甘油四醚,使细胞膜成为两面都是亲水基的单层脂,使双层膜在高温下不会变性分开,保持了完整的疏水内层结构。
(2)因为它们具有特别的细胞膜成分。低熔点的不饱和脂肪酸含量很低,而高熔点的长链饱和脂肪酸和分支链脂肪酸及甘油醚化合物含量很高,其糖脂含量也高,这就使得细胞膜形成更多的疏水键,这些疏水键如同细胞膜表面的“隔火墙”,使得高温水不能和细胞膜进行“亲密接触”,使细胞膜在高温条件下不会被破坏,仍然保持活性。
(3)因为它们具有高热稳定性型的蛋白质。其氨基酸形成更多的肽键,具有紧密折叠的疏水核心,含有保守型的氨基酸,使其氨基酸更加稳定;含有磷酸二基醇酯、磷酸二甘油酯、甘露糖基甘油酸等成分,使其蛋白质更加稳定,以对抗被高温降解并保持活性。
(4)因为它们具有多元的蛋白质表达形式。低于最适生长温度为一种带型;最适生长温度和高于最适生长温度则为另一种带型,这对其能耐高温起到非常大的作用。
(5)因为它们具有多样性的蛋白质。具有与能量代谢相关的蛋白质、与甲基化相关的蛋白质、与染色体稳定性相关的蛋白质、热稳定蛋白、重组蛋白、热击蛋白等。这些对其能耐高温起着决定性的作用。
(6)因为它们含有嗜热酶。其嗜热酶的最佳生长和繁殖温度为60~120摄氏度(有的在高达140摄氏度时乃能存活1小时)。嗜热酶的离子结合点位的金属离子可能起到二硫键似的桥链作用,增加了嗜热酶的耐高温性能。如有一种含钨离子的酶对其能耐高温起非常大的作用。
(7)因为它们具有耐高温的DNA。它们DNA的结构类型为A型的DNA-RNA杂合分子。A型的DNA其相邻的碱基重叠偏差大,利于较多氢键连接,使它的DNA更加稳定。其DNA排序的超螺旋结构,也使它的DNA更为稳定。
(8)因为它们具有很强的DNA修复机制。如它们具有“基因上下文分析机制”,含有“多拷贝的染色体机制”,能迅速发现被损伤的DNA并立即对其修复。它还具有光复活修复、暗修复、RecA-RAD51修复、尿嘧啶N糖基化酶修复、06-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶修复等。
人类的DNA图谱
双螺旋结构DNA示意图
上述极端生命的耐热机制,使它们具有神奇的耐高温能力,对探索生命起源的形式,开拓了全新的思路。
5.2.2.3 极端生命形式的发现意义
这些极端生命形式的发现意味着什么?
传统的观点认为,万物生长靠太阳,也就是说太阳能是一切生物能的源头,即低级生物通过光合作用,把太阳能(无机能)变成生物能(有机能),然后通过食物链传递给高等生物。所以,太阳能是一切生物能的源头。因此,最初的生命形式也只能是最低等的植物,如最原始的藻类。这一传统的理论,道之有理、说之有据,家喻户晓、人人相信,是很多年以来固若金汤的理论。但是,黑烟囱生物群和极端生命形式的发现,对这个理论提出了挑战。我们这个世界上有些生物就是不靠太阳能,它们靠“吃”别的能量,如吃硫化氢的化学自养细菌来生存。它们在黑烟囱生物群里,是食物链最初始的环节——源头节。
所以,深海黑烟囱极端环境生物群的发现具有巨大的理论意义。它突破了万物生长靠太阳的“金科玉律”;了解了生物生长、发育、繁殖的环境条件(物理条件和化学条件)的极限值;突破了对生命起源进行思维的“框架”;实现了对生命起源研究的新飞跃。把生命出现的理论时间向前推移到46亿年前,也就是地球诞生之初的年龄,比现今地球上发现的最早的生命记录早了14亿年。