茫茫大海中, 它们如何生存
  • 来源:科普时报
  • 作者:张天琦
  • 2019-06-05 09:36

图1:海洋发光细菌(图片来自新华网)
图2:海底盐池(图片来自中国国家地理网)
广阔的海洋造就了各式各样的环境,那么海洋微生物是如何在不同环境下生存的呢?我们以紫外辐射、高压、高温、低温、高盐几个环境因素为例,一探究竟。

我们来到海边,看到海面波光粼粼。过多的紫外辐射能诱发微生物DNA同条链内相邻的嘧啶碱基产生嘧啶二聚体(CPD),使DNA 空间结构发生变化,阻碍 DNA 复制、转录,进而影响蛋白质的生物功能。

但是,微生物不能坐以待毙,它们有几种修复损伤DNA的机制:一是原核生物的光酶性 DNA 修复,300~600纳米光辐射下,光活化酶被激活,特异识别嘧啶二聚体并与之结合,同时光的能量用于CPD的裂解,启动 DNA 结构重建,因而被称作“光修复”;二是细菌具有的紫外线修复酶系统,能对紫外线引起的 DNA 损伤启动剪切性修复,这种 DNA 修复方式不需要光的参与,与光修复对应,被称为“暗修复”。另外有研究发现,海洋发光细菌哈维氏弧菌居然“自带光环”,具有内部光源,可通过光复活过程用于DNA修复。

我们潜入海里,首先感到的变化是压力。众所周知,水深每下降10米,压力便增加1个大气压。人类自由下潜的记录是280米,而科研人员从海洋中分离得到很多可承受200个大气压的微生物;另外甚至有极端的嗜压菌只有在压力超过400个大气压时才能生存。那么微生物是如何“抗压”的呢?

第一点,多聚不饱和脂肪酸增高,它可以插入到细胞膜脂质双分子层中,参与其组成,影响细胞膜结构的稳定性和流动性;第二点,其细胞中有较高浓度的渗透活性物质,保护蛋白质在高压下不受水合作用影响;第三点,甘氨酸、脯氨酸比例下降,使得蛋白质弹性减小,而弹性蛋白中这两种氨基酸含量较高。

借助 “蛟龙”号,继续下潜,我们看到了海底热液系统、海底火山,这些极端环境水温可高达300多摄氏度。但这种环境抵挡不住嗜热菌的步伐。嗜热菌有自己的秘籍:一是细胞质膜成分变化,长链饱和脂肪酸增加、类脂总含量增加、疏水键增多,使得质膜熔点增加,稳定性加强;二是通过提升疏水键和二硫键的比例进而增加蛋白质热稳定性;三是一些质粒(环状DNA)中会携带与抗热相关的遗传信息。

有高温,自然也有低温。全球90%以上的海区温度低于5℃,深海和两极水温-1℃~-4℃,海冰温度-35℃。除海冰外,海水温度非常稳定,不受季节影响。在低温环境中生存的是嗜冷原核生物和耐寒细菌。抵御寒冷的机制大致如下:一是形成了冷休克蛋白,可以适应温度骤降;二是具有独特的蛋白质结构,如蛋白质分子氢键多,使得结构具有弹性,因而在低温能保持结构完整性;三是脂膜的组成改变,不饱和脂肪酸含量增加,维持低温下膜的流动性。

注意,海底有热泉,也有冷泉,其定义是“来自海底沉积界面之下的以水、天然气和石油、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的流体以喷涌或渗漏方式从海底溢出,并产生系列的物理、化学及生物作用”。其实,海底冷泉的温度与周围海水温度相近,2℃~4℃,并非零下几十摄氏度的寒冷环境。

在海底还能看到美丽的海底盐池。亿万年前形成的盐岩地层,逐渐向上流动,将上层岩层顶裂开,高浓度地沿着缝隙流出。目前所知的海底盐池主要分布在墨西哥湾、地中海、红海、黑海及南极大陆架。盐池水的盐度非常高,接近普通海水的3~10倍。另外海边的盐田也是盐度很高的生境。

在这些环境中生活着极端嗜盐菌,通常是古菌。嗜盐菌生存策略主要如下:通过积累葡萄糖基甘油等非抑制性物质维持较高的细胞液浓度;主动积累钾离子,与胞外钠离子浓度平衡,保持细胞内活性;酶和结构蛋白质含有较高比例的酸性氨基酸,保护其表象不受高盐破坏;细胞壁以糖蛋白替代肽聚糖,有酸性氨基酸,与钠离子中和。

看到这里,不得不感叹微生物们与极端环境作斗争的智慧。

(中国科普作家协会海洋科普专业委员会供稿)


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