科學家介紹最能忍受極端寒冷的三種生物

西班牙《趣味》月刊網站9月17日刊登題為《3種能忍受極端寒冷的生物》的文章,作者是阿爾瓦羅·巴揚。全文摘編如下:通常,生物在其環境變量(例如溫度、酸鹼度或鹽度)保持在相對較小變化範圍內的環境中移動。

然而,這種普遍性也有例外:它們是被稱為“極端微生物”的有機體,它們適應生活在其中一些變量是極端的環境下。因此,有些生物適應了異常酸性或鹼性的環境、非常鹹的環境或溫度極端的環境。在南極洲,一年四季的氣溫極低。為了在如此寒冷的環境中維持生命,生物需要一些策略來防止組成細胞的水凍結。

嗜冷微生物就是通過生理機制適應寒冷。這種機制主要基於一組特定的蛋白質,能夠產生與嗜溫微生物相比顯著的代謝差異。這些蛋白質分為四種類型。

一旦溫度下降,冷休克蛋白就會立即表達。它們是小蛋白質,參與其他蛋白質的轉錄和摺疊。它們允許在低溫條件下保持代謝活動。

冷適應蛋白在長時間暴露於低溫的生長過程中表達。它們的功能與其他蛋白質的穩定及其表達的維持有關,使它們能夠維持生長和新陳代謝。

抗凍蛋白負責防止細胞材料凍結。細胞內部基本上是水,其內部成分很容易充當促進冷凍的細胞核。這些蛋白質通過抑制新的水分子添加到冰晶中來防止冰核形成。抗凍蛋白的合成是抵禦零攝氏度以下溫度的最重要策略之一;它被細菌、魚類、昆蟲、真菌、植物和大多數居住在這種環境中的生物所共有。

所涉及的第四類蛋白質稱為冰結合蛋白,雖然它們的存在和結構是已知的,但科學界對它們的功能仍不太清楚。最可信的推測是該蛋白可以與小的冰晶結合,具有抑製冰結晶和生長的功能。

硅藻 南極洲部分地區的冰層下保存着液態水;冰蓋起着屏障的作用。即便如此,這些水域的寒冷仍然是極端和持久的,一年中有4個多月光線幾乎為零。在這種寒冷、黑暗的環境中,生活着硅藻,如“圓柱擬脆桿藻”。這些南極硅藻在長期黑暗中生存的能力取決於它們的代謝能力。除了嗜冷有機體的適應之外,負責代謝過程的酶在黑暗中變得更加豐富。在這種黑暗的環境中,碳固定停止——沒有光合作用——但它們仍然活着,進行一種替代新陳代謝,使它們能夠長期生存。另一方面,通過將新陳代謝過程保持在黑暗階段,圓柱擬脆桿藻能夠保留光合裝置的功能,確保在幾個月後黎明終於到來和持續數月的極晝期間快速恢復。

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嗜冷菌 最極端的嗜冷菌“液泡極地單胞菌”生活在南極洲帕爾默半島海岸的海冰下。這是第一種成功從海洋環境中分離出來的β-變形菌。它也是我們所知的具有最高嗜冷能力的細菌,能夠在零攝氏度到10攝氏度之間生存和維持新陳代謝,在4攝氏度時最適合生長。對這種細菌的基因組分析表明,存在着與適應高鹽度和寒冷條件有關的基因。除了通常的蛋白質外,這種細菌還產生小的氣態囊泡和細胞粘附蛋白。它有一種光異養的生活方式:它像植物一樣使用陽光作為能源,但它的碳源不是大氣中的二氧化碳,而是有機物。

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地衣 雖然大多數嗜冷生物在零上幾度或零下幾度時茁壯成長,隨着溫度變低進入休眠狀態或死亡,但一些地衣例外。地衣是非常特殊的有機體。它們是提供支持的真菌、通過光合作用提供營養的藻類或藍細菌之間共生結合的結果,最近已知酵母也參與其中,從而穩定整個系統。南極洲的原生地衣對冰凍壓力具有很高的耐受性,並且在經過一段長時間的嚴寒后恢復其代謝活動的能力很強。其最適合的生長溫度為零攝氏度至15攝氏度之間;然而,它們可以在低至零下17攝氏度的溫度下保持新陳代謝活躍,即使在零下20攝氏度的低溫下,仍能保留部分代謝活性。

科學家介紹最能忍受極端寒冷的三種生物

南極洲赫德島上的地衣(澳大利亞南極司網站)