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最能忍受严寒的三种生物:南极硅藻 、嗜冷菌、地衣

发表时间:2023/01/05 13:25:20  浏览次数:2218  
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西班牙《趣味》月刊网站9月17日刊登题为《3种能忍受极端寒冷的生物》的文章,作者是阿尔瓦罗·巴扬。全文摘编如下:

通常,生物在其环境变量(例如温度、酸碱度或盐度)保持在相对较小变化范围内的环境中移动。然而,这种普遍性也有例外:它们是被称为“极端微生物”的有机体,它们适应生活在其中一些变量是极端的环境下。因此,有些生物适应了异常酸性或碱性的环境、非常咸的环境或温度极端的环境。

在南极洲,一年四季的气温极低。为了在如此寒冷的环境中维持生命,生物需要一些策略来防止组成细胞的水冻结。

嗜冷微生物就是通过生理机制适应寒冷。这种机制主要基于一组特定的蛋白质,能够产生与嗜温微生物相比显著的代谢差异。这些蛋白质分为四种类型。

一旦温度下降,冷休克蛋白就会立即表达。它们是小蛋白质,参与其他蛋白质的转录和折叠。它们允许在低温条件下保持代谢活动。

冷适应蛋白在长时间暴露于低温的生长过程中表达。它们的功能与其他蛋白质的稳定及其表达的维持有关,使它们能够维持生长和新陈代谢。

抗冻蛋白负责防止细胞材料冻结。细胞内部基本上是水,其内部成分很容易充当促进冷冻的细胞核。这些蛋白质通过抑制新的水分子添加到冰晶中来防止冰核形成。抗冻蛋白的合成是抵御零摄氏度以下温度的最重要策略之一;它被细菌、鱼类、昆虫、真菌、植物和大多数居住在这种环境中的生物所共有。

所涉及的第四类蛋白质称为冰结合蛋白,虽然它们的存在和结构是已知的,但科学界对它们的功能仍不太清楚。最可信的推测是该蛋白可以与小的冰晶结合,具有抑制冰结晶和生长的功能。

硅藻 

南极洲部分地区的冰层下保存着液态水;冰盖起着屏障的作用。即便如此,这些水域的寒冷仍然是极端和持久的,一年中有4个多月光线几乎为零。在这种寒冷、黑暗的环境中,生活着硅藻,如“圆柱拟脆杆藻”。这些南极硅藻在长期黑暗中生存的能力取决于它们的代谢能力。除了嗜冷有机体的适应之外,负责代谢过程的酶在黑暗中变得更加丰富。在这种黑暗的环境中,碳固定停止——没有光合作用——但它们仍然活着,进行一种替代新陈代谢,使它们能够长期生存。另一方面,通过将新陈代谢过程保持在黑暗阶段,圆柱拟脆杆藻能够保留光合装置的功能,确保在几个月后黎明终于到来和持续数月的极昼期间快速恢复。

嗜冷菌 

最极端的嗜冷菌“液泡极地单胞菌”生活在南极洲帕尔默半岛海岸的海冰下。这是第一种成功从海洋环境中分离出来的β-变形菌。它也是我们所知的具有最高嗜冷能力的细菌,能够在零摄氏度到10摄氏度之间生存和维持新陈代谢,在4摄氏度时最适合生长。对这种细菌的基因组分析表明,存在着与适应高盐度和寒冷条件有关的基因。除了通常的蛋白质外,这种细菌还产生小的气态囊泡和细胞粘附蛋白。它有一种光异养的生活方式:它像植物一样使用阳光作为能源,但它的碳源不是大气中的二氧化碳,而是有机物。

地衣 

虽然大多数嗜冷生物在零上几度或零下几度时茁壮成长,随着温度变低进入休眠状态或死亡,但一些地衣例外。地衣是非常特殊的有机体。它们是提供支持的真菌、通过光合作用提供营养的藻类或蓝细菌之间共生结合的结果,最近已知酵母也参与其中,从而稳定整个系统。南极洲的原生地衣对冰冻压力具有很高的耐受性,并且在经过一段长时间的严寒后恢复其代谢活动的能力很强。其最适合的生长温度为零摄氏度至15摄氏度之间;然而,它们可以在低至零下17摄氏度的温度下保持新陈代谢活跃,即使在零下20摄氏度的低温下,仍能保留部分代谢活性。

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