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当你站在冰天雪地的极地荒原,站在白雪皑皑的喜玛拉雅之颠,当你置身于亘古不化的冰川雪岭,涌上你心头的一定是天地唯我的无限孤寂,作为一个生命个体,你一定也感受到生命的渺小,但是我要告诉你,你并不孤独,生命也是那么伟大,在你立足的雪地里有无数微小的生命在欢快地生活着,它们用它们的存在展示着生命之美,它们就是鲜为人知的嗜冷微生物。
“嗜”,特别喜欢的意思。顾名思义,寒冷才是这些生命的最爱,只有寒冷才能让它们尽现生命的活力,只有在寒冷中它们才能幸福地生儿育女,相反它们从风和日丽中享受不到半点欢乐,那只会让它们觉得痛苦甚至死去,这也是它们和另一类“耐冷”微生物的区别,这些能“耐”冷的微生物看似能够在寒冷中撑住,但却备感煎熬,因为它们的乐土还是在那些温暖和煦的地方。
今天,在世界各地的寒冷之处,如极地永冻土、冰川、大洋深处甚至南极千米冰层下都发现了嗜冷微生物的踪迹,这些生命感觉最舒适的温度都在15℃(即十五摄氏度)之下,它们最低的生长繁殖温度往往低于0℃,当温度超过20℃,这正是大多数生命备感惬意的时候,它们却很可能感到太热而一命呜呼,在迄今所发现的所有嗜冷微生物中,最嗜冷的细菌在-12℃(即零下十二摄氏度)、最嗜冷的真菌在-34℃依然能够生长繁殖,在更低的温度下(比如说干冰造成的-78℃和液态氮造成的-196℃),许多嗜冷微生物也并不会被冻死,而是进入休眠状态。目前发现的嗜冷微生物类群也十分众多,几乎涵盖了微生物家族的所有成员—细菌、真菌以及藻类应有尽有,看来酷寒并不是阻挡生命在大自然遍地开花的绊脚石。
来自南极千米冰层下的微生物
嗜冷微生物在冰天雪地里生活的景象或许还并不足以令你惊奇,因为毕竟在寒冷中嬉戏如常的生命并不鲜见,憨态可掬的企鹅和北极熊肯定已在你心中留下了深刻的印象,即使穿着厚厚棉衣的人类也能酷寒中徜徉,但要明白的是,嗜冷微生物并没有这些生命赖以抵御寒冷的皮毛或衣服,它们的细胞(身体)是直接暴露在刺骨之寒中的,那它们是靠什么来适应严寒的呢?这恐怕不由得让你疑惑和惊奇。聪明的它们采取了很多策略来应对酷寒的挑战,比如说嗜冷微生物改变了细胞膜上的脂类物质的类型,用熔点较低的不饱和脂肪酸代替了高熔点的饱和脂肪酸,这样在低温下细胞膜不至于被冻结而能够保持正常的流动性,这对于保障细胞同外界正常的物质交换至关重要;嗜冷微生物还会产生一些嗜冷酶(酶是生物体内生化反应的催化剂,其化学本质是蛋白质)来保障生长繁殖的正常进行,与普通微生物分泌的常温酶相比,嗜冷酶由于在氨基酸组成上发生了一些微妙的变化因而更具柔性和伸展性,这样只需要较少的能量它们就能发生构象的变化(酶要催化一种化学反应必须发生构象变化),因此嗜冷酶在低温下能够保持较高的催化活性……虽然现在科学家对嗜冷微生物了解越来越多,但它们还是留给了人类很多谜团,比如低温下嗜冷微生物体内会产生一些称为冷适应蛋白的特殊蛋白质,它们在嗜冷之谜中具体扮演什么角色还不得而知。尽管如此,科学家理解到的嗜冷机理已足以使人类叹为观止,一个普通细胞中仅仅一个简单的现象竟涉及那么多复杂精巧的机制,若要穷尽细胞内的所有秘密,那真的是无法想象,难怪一些哲人慨叹:一棵小草的生长并不亚于星系运行的壮观,蚂蚁、沙粒和人一样完美,大自然确是无上的智者和设计师。
大自然不会毫无目的地设计一个生命,既然嗜冷微生物生存在这个世间,就会在这个世间发挥作为生命一分子的作用,地球生态系统中广泛存在着低温区域,南极生态系统就是个典型例子,嗜冷微生物在这些地区发挥着温暖地区微生物一样的作用——推动物质循环,维持生态稳定,没有它们,像企鹅和北极熊这些在低温地区生活的高级生物是不可能存在的。嗜冷微生物对人类的潜在用途也越来越受到人类的注意,比如它们现在被人们用来修复低温地区被石油等物质污染的地区,这些微生物可以迅速地降解污染物;嗜冷微生物还含有丰富的不饱和脂肪酸,这可是一种对人类极有营养价值的东西;嗜冷微生物分泌的嗜冷酶在食品加工业中也有巨大的应用潜力,一个简单的例子就是它在牛奶加工中的作用,许多人喝未经特殊加工的牛奶容易发生腹泻,这是由于这些人肠道中没有分解牛奶中乳糖的酶因而不能消化乳糖,现在牛奶加工中常用一种常温酵母菌分泌的酶来分解乳糖,虽然该工艺过程被控制在尽可能短的时间内完成,但由于它是在常温下进行,仍然不能避免牛奶被一些细菌污染的可能,如果用嗜冷酶替代这些酵母来源的酶,这种风险就不复存在了。
嗜冷微生物最深远的意义恐怕还不止在于它们的使用价值,多少年来,人类一直在思索,我们是否孤独,地球外的茫茫宇宙中是否还存在生命,人类也不断地对宇宙空间进行探索,当一个个类似地球远古环境的星球出现在人类的视野中时,人类何等地欣喜若狂,其实,嗜冷微生物等一系列在极端条件下发现的生命已经昭示着我们这条思路的错误,大自然的深邃超越想象,生命或许根本不像人类一相情愿想的那样需要什么特殊条件,也许在人类目光掠过的许多阴冷可怕的地方,无数的生命正嘲笑着人类的肤浅!
注:本文原刊于《知识就是力量》,博文有改动。
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