极端生存
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古菌,生命史上最坚强的极端生物

早在大氧化事件之前,地球上的生命家谱已经一分为二。两个分支都是微生物,当时,除了微生物外也再没有其他生物了。第一分支包括蓝藻以及其他“正常”的细菌微生物。第二分支与第一分支出现于同一时期,这个分支的微生物演化出了一些特殊的能力,它们不仅能在极端的环境中生存,还能在没有阳光的黑暗中生活,以化学物质为食。Gribaldo, S., A. M. Poole, V. Daubin, P. Forterre, and C. Brochier-Armanet. 2010. “The origin of eukaryotes and their relationship with the Archaea: Are we at a phylogenomic impasse?” Nature Reviews Microbiology 8: 743–752.它们就是古菌(Archaea),也叫嗜极生物(Extremophiles),是生命史上最顽强的一类生物。Garrett, R., and H. P. Klenk. 2007. Archaea: Evolution, Physiology, and Molecular Biology. Oxford: Wiley and Sons.

古菌看上去其貌不扬,在电子显微镜下,你会看到它们是一堆一堆的长圆形微生物。在很长一段时间里,我们以为它们只是一类细菌。随着基因测序技术的到来,生物学家发现,这些来自盐湖或者深海硫化物喷口的嗜极生物与典型的细菌之间存在着巨大的遗传学鸿沟。所以分类学家为这一全新的领域另取了一个名称——古菌Woese, C. R., O. Kandler, and M. L. Wheelis. 1990. “Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya.” Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 87: 4576–4579.。在世界的边缘,人们发现的古菌越来越多,这些地方几乎没有任何其他生命可以存活。在黄石国家公园的热泉中、海底热泉的喷口处以及氧气缺乏的深海都存在着它们的踪影。Barns, S. M., R. E. Fundyga, M. W. Jeffries, and N. R. Pace. 1994. “Remarkable Archaeal diversity detected in a Yellowstone National Park hot spring environment.” Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 91: 1609–1613.作为早期的地球生物,古菌似乎受到了后来的微生物的排挤。适合它们生活的那颗行星已经不复存在,它们依然留在极端环境中,因为这些地方和它们过去生存的环境最为接近。

古菌可以在温度超过110℃的环境下生存,这一温度已经超过了水的沸点。有一种叫作延胡索酸火叶菌(Pyrolobus fumarii)的古菌聚集在1800~2400米深的海底热泉喷口周围,喷口常年会喷出含硫和其他有毒物质的热液,温度高达几百摄氏度。这种古菌一直保持着能在高温下生存的世界纪录,它们可以在121℃的高压锅中存活一个小时,而当温度降到95℃时,它们就无法有效地繁殖了。Blöchl, E., R. Rachel, S. Burggraf, D. Hafenbradl, H. W. Jannasch, and K. O. Stetter. 1997. “Pyrolobus fumarii, gen. and sp. nov., represents a novel group of Archaea, extending the upper temperature limit for life to 113 C.” Extremophiles 1: 14–21.没有任何多细胞动物或植物可以在这样的温度下生存,所以,我们这个星球上最热的地方只居住着微生物。而在过去,微生物不只是统治着高热环境,而且是统治着地球上的每一个地方。