探究生命的秘密 南极洲是微生物研究的绝佳地点

2017-10-09 13:32:00 网易科学人 分享
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  2016年12月份,来自美国乔治敦大学的行星科学助理教授萨拉·斯图尔特·约翰逊(Sarah Stewart Johnson),从美国南极边缘麦克默多(McMurdo)科考站乘飞机来到“干谷(Dry Valleys,世界上最干燥的沙漠)”中部的万达湖(Lake Vanda)岸边。她正在寻找古老的微生物,即那些曾经在这个偏远地区生存和繁衍的简单生物。但这不仅仅是一次采集样本的远征,约翰逊和她的团队正在寻找生命本身的秘密。

图1:研究人员萨拉·斯图尔特·约翰逊(Sarah Stewart Johnson)和戴夫·格尔里茨(Dave Goerlitz)正在南极洲工作

  约翰逊表示:“南极洲是研究生命存在相关基本问题的绝佳地点。对我来说,这真的非常有吸引力。我们前往地球上最边缘的地方,当微生物真的被推向极限时,它们是如何生存下来的?。”通过回答这个问题,约翰逊希望开启对生命的全新理解,不管是在地球上,还是在其他地方。研究人员希望,与最严酷的环境抗争3000多年的微生物能够教给我们更多关于生存的知识。

  之所以将把万达湖称为“偏远之地”,是因为即使从最近的城市——新西兰的克莱斯特彻奇出发,也需要乘坐7小时飞机、驾车行驶1小时、然后再乘坐直升机飞行45分钟才能抵达这里。它被群山环绕,这反过来阻止了在山谷中移动冰川的侵蚀作用。这里的风速达到每小时320公里,经过地面摩擦时会加热、融化、蒸发以及吹走大部分水分。由于只剩下了沙砾和湖泊,它的含盐量是普通海水的十倍。即便如此,全年的大部分时间里依然被4米厚的冰层覆盖。

  然而,这里的环境并非古来如此。3000年前,这个湖比现在深得多,淹没了山谷更高的地方,里面生存着大量的微生物。随着湖水消退,含有这些微生物的湖床沉积物暴露在空气中。随着时间的推移,“微生物席垫”风干,最终被风沙所覆盖。你可能会想,对于曾经在湖中生存的微生物来说,这不是一个好地方。然而,当约翰逊的团队来到这里的时候,他们发现这个“席垫”仍然完好无损,仿佛它已经在几千年的干旱岁月中愈合了伤口。大量细胞在这里存活了下来。但问题是,它们如何生存下来的?

图2:麦克默多科考站位于罗斯岛的顶端,可以容纳1200人

  一种理论认为,这些细胞进入了休眠状态。正如约翰逊所言,它们潜伏下来,并关闭所有的新陈代谢活动,基本上就是在等待条件恢复到更加温和的状态再复苏。但如果真是这样的话,随着时间的推移,环境会造成损害,细胞也会受损,最终无法修复。可是这种情况没有发生。于是,约翰逊开始研究另一种假设,即细胞将新陈代谢维持在很低的水平,并继续进行自我修复。

  约翰逊说:“我们想问的一个问题是:在什么样的条件下,我们认为休眠是最受欢迎的,或维持着非常低的代谢活动水平,至少足以修复你的基因组,这样它就不会被损坏,以至于无法修复?”要做到这一点,你需要了解这种能力背后的遗传学原理。这些微生物的DNA究竟为何使它们如此坚韧?以前这是不可能的。

  这是第一次,冰上的研究人员装备了口袋大小的DNA测序仪,即英国Oxford Nanopore公司生产的MinION MK 1B,用来对冰层上的微生物进行取样和测序,不是发送回样品而是数据。在如此恶劣的环境下生存,意味着微生物已经进化出能够提供保护的生物化学物质。这些化学物质被称为次生代谢物,对人类也同样非常有用。例如,一个群体构成了现代抗生素的基础。

  对严酷环境中发现的生物体进行DNA测序,不仅可以让科学家们增加生物种类目录,还可以增加已知的能够产生有用次生代谢物的基因目录。同样的,现场进行排序是很重要的,因为在很多方面,它使传统的冒险生物学重新出现。维多利亚时代的植物学家会到喜马拉雅山东部去带回罕见的兰花,而如今的遗传学家正前往极端之地带回基因。

  但是,作为乔治敦大学的行星科学助理教授,约翰逊有另一个理由去研究在恶劣环境中生存的微生物,那就是为将来探索火星生命做准备。她解释说:“对于南极来说,微生物非常重要。而它是地球上最像火星的地方。这很重要,因为我们在地球上发现的微生物有可能曾经在火星上居住过。

  当这颗红色行星上还有液态水流动的时候,小行星的撞击导致来自火星和地球上的岩石相互撞击。我们可以确定,这些岩石沿着两颗行星的方向飞行,所以微生物的生命也有可能随之而去。在火星上,即使水蒸发或冰冻之后,生命也可能存活下来。而在南极洲,同样存在这种可能。也许埋在火星碎石下面,有些类似的东西正等待着被发现。

责编:陶文冬