5.2.1 極端條件下會有生命嗎
傳統的觀點認為生命是嬌嫩的,它們經受不住“烈火的冶煉”,所以它們應該在風和日麗的條件下生存,應該在陽光明媚、常溫、常壓、有氧和無毒的條件下誕生繁衍。但是,20世紀70年代的發現,完全顛覆了這個傳統的觀點。這個顛覆要從1977年10月轟動全世界的阿爾文(Alvin)號深海考察說起。
1977年10月,以美國Bischoff博士為首,由美國、法國、墨西哥等國的地質學家和生物學家組成的科學考察組,乘坐世界上第壹個最先進的深潛器阿爾文號,潛入東太平洋大洋中脊的加拉帕戈斯(Galapagos)大洋裂谷水下2500~2700米深處進行考察,意外地發現了神奇的黑煙囪生物群——壹種在1977年10月前,全世界的科學家都從未見過的、生活在極端環境下的生物群。這個發現震驚了全球所有的人群,它使生命起源的學說發生了180°的改變,這個改變是地質學和生物學碰撞的結果。
世界上第壹個最先進的深潛器——美國的阿爾文號
5.2.1.1 大洋裂谷考察序幕
大洋裂谷——地幔物質上湧的地方,過去只存在理論書中。它是什麽樣子,誰也沒有見過,它是全球地質學家夢幻般的“聖地”,誰都想去“朝拜”。能否前去看看,這是地質學家們百年來的夢想。其實,更想去看看的是生物學家,他們對大洋深處萬米深淵中有沒有生物已經爭論了好幾百年,也沒定論,都想揭開謎底。生物學家認為,生命起源的謎底能否揭開,就看深海這個“黑匣子”能否打開了。可是,在大洋深處的萬米深淵壓力太大,有大約1100個大氣壓,任何潛水衣都會被壓得粉碎。
時間進入了1952年,比利時布魯塞爾自由大學教授皮卡德父子建造了當時世界上最先進的深潛器——得裏雅斯特號深潛器,深海考察才露出了曙光。比利時人揭開了大洋裂谷考察序幕,開拓了壹段驚心動魄、扣人心弦的大洋深淵考察歷史。
1952年比利時得裏雅斯特號深潛器剛壹露頭,就被敏銳的美國海軍意識到了利用價值。他們於1958年用最高的價格,對得裏雅斯特號深潛器和皮卡德父子進行了戰略收買,並於當年建成了新型的得裏雅斯特號深潛器。這個新的深潛器,排水量達15噸,能下潛5500米,1959年增潛到7315米。1960年1月,美國海軍實施馬裏亞納海溝的“挑戰者深潛”計劃——“浮遊生物計劃”。1960年1月23日上午8點15分,比利時的小皮卡德和美國海軍上尉唐·沃爾什關上了9噸重的艙門,乘坐直徑2米、壁厚127毫米、能承受1500個大氣壓的深潛器向馬裏亞納海溝進發,12點6分到達馬裏亞納海溝底部。這裏水深11023米,壓力1100個大氣壓,水溫3.33攝氏度(比6000米處高壹點),漆黑,流速為零。但是他們在這裏發現了壹條長30厘米、美麗絕倫的大紅蝦和壹條長30厘米、寬15厘米的扁平狀魚。當時,小皮卡德博士和唐·沃爾什上尉的眼睛都要瞪出來了。消息披露後,許多生物學家都迫不及待地想到大洋深淵去看看。
1960~1977年,美國人將得裏雅斯特深潛器發展成極為先進的阿爾文號深潛器。1977年10月,阿爾文號深潛至東太平洋大洋中脊的加拉帕戈斯大洋裂谷,發現了人們做夢也沒見過的黑煙囪生物群。全面而又深入的大洋裂谷考察,開始了。
5.2.1.2 黑煙囪生物群
工廠的黑煙囪我們都見過。可是,妳會相信萬米深淵的大洋裂谷裏會有黑煙囪嗎?
(1)深海黑煙囪。1977年10月,當阿爾文號潛至加拉帕戈斯大洋裂谷時,考察人員都使勁地晃了晃腦袋,又使勁地眨了眨眼睛,想確定壹下眼前所見的景象是幻影,還是現實。那裏濃煙滾滾,煙囪林立。難道它們是建在大洋底下的“絕密軍工廠”嗎?——這就是,在此之前沒有任何壹個人能想象出來的、令人難以置信的、大洋裂谷裏的黑煙囪。
大洋底黑煙囪
(2)黑煙囪如何形成。大洋底部的海水,通過洋底裂縫滲入地球深部,被加熱並溶解其周圍的物質,形成了含有豐富硫化氫、二氧化碳、甲烷等氣體,金屬硫化物和金、銀、鉑等“濃湯”的熱液。然後,它們再從大洋裂谷中噴出。當這些高溫的“濃湯”從洋底裂縫噴出遇上寒冷的海水時,便形成了濃濃的黑煙。黑煙中的金屬硫化物和金、銀、鉑等溶液,因溫度降低而凝結並堆積在噴氣口周圍,生成了黑煙囪的囪管,囪管越長越高,就形成了聳立在大洋深淵中濃煙滾滾的黑煙囪群。黑煙囪高約幾米至幾十米,壹般2~5米;直徑約幾十厘米至幾米,壹般2~3米;壽命壹般為20~30年。
深海黑煙囪
黑煙囪形成示意圖
5.2.1.3 黑煙囪生物群中的明星——火把蟲
當乘坐阿爾文號的科學家們靠近黑煙囪時,更加奇特的情景出現了:只見黑煙囪旁邊插滿了“火把”。待到貼近壹看,原來是壹種長得很像火把的生物,壹種人們從未見過的生物,人們就親切地稱它們為火把蟲。後來經過生物學家詳細的室內研究,被命名為裂谷厚絨毛蟲(Riftia pachypilat),屬於環節動物門多毛綱的壹種管狀蠕蟲。火把蟲雖屬蠕蟲類,但卻與所有的家族成員都不相同。它是個“醜小鴨”,是個異類,特別地怪——沒有嘴,沒有腸道,也沒有肛門。火把蟲的體長壹般為1.5米(最長3米),管徑壹般37毫米左右。它分頭部、頸部和棲管3部分。頭部露在棲管外面,呈紅色,其羽狀物具呼吸功能;頸部像個圍脖,把火把蟲固定在棲管上;棲管為幾丁質,白色,其“根”部固定在黑煙囪上。火把蟲的生物量可高達176個/米2。
火把蟲
5.2.1.4 黑煙囪的環境——火把蟲的生存環境
如花般的火把蟲,在黑煙囪邊上長得如此茂密,如花叢壹般,難道那裏是海底“天堂”?讓我們來仔細研究壹下黑煙囪的環境。
熱液剛從黑煙囪冒出來時的溫度高達350~400攝氏度,管口水溶液的pH值為3~4(有時可達2.8,甚至1);熱液中含有高濃度的有毒氣體(19.5毫摩爾/升),如硫化氫、二氧化碳、甲烷等氣體;含高毒性的金屬硫化物溶液,如硫化銅、硫化鉛、硫化鋅、硫化鐵、硫化鈷、硫化鎳等;同時還含有金屬溶液如金、銀、鉑等溶液。水層中的壓力高達250~270個大氣壓,含氧量接近於零,光照為零。所以,黑煙囪的環境對生命來說,是壹種不可想象的高溫、高壓、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光的極端環境。傳統的觀點認為,在這種環境裏是絕對不可能有生物的。那麽,火把蟲是何方“神聖”?能在如此極端的環境下生存呢?
5.2.1.5 火把蟲奇特的生命形式
火把蟲棲管中的溫度可達80攝氏度以上。棲管內部是它的軀幹,軀幹裏是Trophosome(營養體的器官和壹套閉循環系統)。Trophosome內***生有幾十億個細菌,每毫升可達百萬個,細菌的質量可占其體重的60%。它們是嗜熱、嗜硫化氫的化學自養細菌(Chemosynthesis),棲管內的溫度正好是它的最佳生長和繁殖溫度。化學自養細菌利用黑煙囪的熱能和氧氣將H2S氧化,從而釋放出化學能,然後利用這些化學能,將CO2和H2轉化成有機碳,直接供給火把蟲當營養物質,其化學式如下:H2S+CO2+O2+H2O→CH2O(有機碳)+S。但是,這裏仍然還有許多問題使我們困惑。
問題壹:居住在Trophosome內幾十億個細菌所需的H2S、O2、CO2是如何進入Trophosome內的呢?原來,火把蟲有壹個由脈管結構及壹個類似心臟結構組成的閉循環系統,其內流動著含有血紅素的體腔液,它可以吸收和攜帶H2S、O2、CO2,這些氣體被頭部擺動的羽狀物源源不斷地隨水流進入羽狀物,並被羽狀物中的毛細血管床吸收,進入體腔液(“血液”),然後輸送到營養體,供居住在Trophosome內幾十億個細菌“食用”。
問題二:進入火把蟲體內的H2S不會毒死火把蟲嗎?不會。因為火把蟲有壹套獨特的解毒機制。當含有H2S的“血液”流經可能被H2S傷害的組織時,“血液”的水分子會迅速和緊緊地將血紅素圈閉起來,使H2S與組織細胞不能“親密接觸”而免受其害。
問題三:在制造有機碳過程中所產生的遊離S也不會傷害火把蟲嗎?也不會。因為火把蟲體內有壹種能與遊離S結合的特殊蛋白質,體壁內還有壹種特殊的酶系統,可以氧化細胞內的遊離S。所以,它對遊離S具有解毒作用。
問題四:黑煙囪的壽命很短,“皮之不存、毛將焉附”?火把蟲如何傳宗接代?火把蟲生殖傳播方式是向水中釋放大量的精子和卵子,受精卵發育成擔輪幼蟲後隨洋流漂散,遇到新生的黑煙囪後就會定居下來。火把蟲具有選擇特征:生長快、性成熟也快,在新的黑煙囪“安頓”好後,很快又繁衍起來。這就是火把蟲在如此極端環境下的生命形式。
5.2.2 極端生命形式
5.2.2.1 奇特的極端生命形式
在黑煙囪的極度的六高(高溫、高壓、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光)環境因素裏,後面的五高(高壓、高酸性、高毒性、高度缺氧和高度缺光)對許多黑煙囪生物來說相差不大。這裏最引人註目的是它們所生活的溫度差別,它們壹個比壹個極端。
火把蟲細菌(吃硫化氫的化學自養細菌)80攝氏度左右的溫度是其最佳的生長和繁殖溫度,而Pyrococcus horikoshii為98攝氏度;Aeropyrum pernix為100攝氏度,在100攝氏度左右的還有Methanopyrsu kandleri與Pyrococcus abyssi。而發現在大西洋中脊北緯26°、西經45°且水深3650米的Pyrolobus fumarii,其生存的最適溫度高達106攝氏度,其存活溫度竟高至113攝氏度,更令人驚奇的是低於90攝氏度它卻活不了。113攝氏度太極端了吧!不,還有更極端的呢!
Methanopyrus kandleri
2003年8月,美國科學家在太平洋中脊的黑煙囪,水深2400多米處發現了壹種細菌,其最佳的生存溫度竟高達121攝氏度,這個溫度高得令人難以相信,最後被命名為121菌株。為什麽細菌能在這麽極端的環境下生存?它們具有“特異功能”嗎?
5.2.2.2 極端生命的耐熱機制
(1)因為它們具有特別的細胞膜結構。它們的細胞膜會隨著溫度升高,其雙層類脂就會進行結構重排,如進行***價交聯,形成植烷甘油二醚和雙植烷甘油四醚,使細胞膜成為兩面都是親水基的單層脂,使雙層膜在高溫下不會變性分開,保持了完整的疏水內層結構。
(2)因為它們具有特別的細胞膜成分。低熔點的不飽和脂肪酸含量很低,而高熔點的長鏈飽和脂肪酸和分支鏈脂肪酸及甘油醚化合物含量很高,其糖脂含量也高,這就使得細胞膜形成更多的疏水鍵,這些疏水鍵如同細胞膜表面的“隔火墻”,使得高溫水不能和細胞膜進行“親密接觸”,使細胞膜在高溫條件下不會被破壞,仍然保持活性。
(3)因為它們具有高熱穩定性型的蛋白質。其氨基酸形成更多的肽鍵,具有緊密折疊的疏水核心,含有保守型的氨基酸,使其氨基酸更加穩定;含有磷酸二基醇酯、磷酸二甘油酯、甘露糖基甘油酸等成分,使其蛋白質更加穩定,以對抗被高溫降解並保持活性。
(4)因為它們具有多元的蛋白質表達形式。低於最適生長溫度為壹種帶型;最適生長溫度和高於最適生長溫度則為另壹種帶型,這對其能耐高溫起到非常大的作用。
(5)因為它們具有多樣性的蛋白質。具有與能量代謝相關的蛋白質、與甲基化相關的蛋白質、與染色體穩定性相關的蛋白質、熱穩定蛋白、重組蛋白、熱擊蛋白等。這些對其能耐高溫起著決定性的作用。
(6)因為它們含有嗜熱酶。其嗜熱酶的最佳生長和繁殖溫度為60~120攝氏度(有的在高達140攝氏度時乃能存活1小時)。嗜熱酶的離子結合點位的金屬離子可能起到二硫鍵似的橋鏈作用,增加了嗜熱酶的耐高溫性能。如有壹種含鎢離子的酶對其能耐高溫起非常大的作用。
(7)因為它們具有耐高溫的DNA。它們DNA的結構類型為A型的DNA-RNA雜合分子。A型的DNA其相鄰的堿基重疊偏差大,利於較多氫鍵連接,使它的DNA更加穩定。其DNA排序的超螺旋結構,也使它的DNA更為穩定。
(8)因為它們具有很強的DNA修復機制。如它們具有“基因上下文分析機制”,含有“多拷貝的染色體機制”,能迅速發現被損傷的DNA並立即對其修復。它還具有光復活修復、暗修復、RecA-RAD51修復、尿嘧啶N糖基化酶修復、06-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶修復等。
人類的DNA圖譜
雙螺旋結構DNA示意圖
上述極端生命的耐熱機制,使它們具有神奇的耐高溫能力,對探索生命起源的形式,開拓了全新的思路。
5.2.2.3 極端生命形式的發現意義
這些極端生命形式的發現意味著什麽?
傳統的觀點認為,萬物生長靠太陽,也就是說太陽能是壹切生物能的源頭,即低級生物通過光合作用,把太陽能(無機能)變成生物能(有機能),然後通過食物鏈傳遞給高等生物。所以,太陽能是壹切生物能的源頭。因此,最初的生命形式也只能是最低等的植物,如最原始的藻類。這壹傳統的理論,道之有理、說之有據,家喻戶曉、人人相信,是很多年以來固若金湯的理論。但是,黑煙囪生物群和極端生命形式的發現,對這個理論提出了挑戰。我們這個世界上有些生物就是不靠太陽能,它們靠“吃”別的能量,如吃硫化氫的化學自養細菌來生存。它們在黑煙囪生物群裏,是食物鏈最初始的環節——源頭節。
所以,深海黑煙囪極端環境生物群的發現具有巨大的理論意義。它突破了萬物生長靠太陽的“金科玉律”;了解了生物生長、發育、繁殖的環境條件(物理條件和化學條件)的極限值;突破了對生命起源進行思維的“框架”;實現了對生命起源研究的新飛躍。把生命出現的理論時間向前推移到46億年前,也就是地球誕生之初的年齡,比現今地球上發現的最早的生命記錄早了14億年。