探究生命的秘密 南極洲是微生物研究的絕佳地點

出品|網易科學人欄目組譯者|小小2016年12月份,來自美國喬治敦大學的行星科學助理教授薩拉・斯圖爾特・約翰遜,從美國南極邊緣麥克默多科考站乘飛機來到“干谷”中部的萬達湖岸邊。她正在尋找古老的微生物,即那些曾經在這個偏遠地區生存和繁衍的簡單生物。但這不僅僅是一次採集樣本的遠征,約翰遜和她的團隊正在尋找生命本身的秘密。探究生命的秘密 南極洲是微生物研究的絕佳地點圖1:研究人員薩拉・斯圖爾特・約翰遜和戴夫・格爾里茨正在南極洲工作約翰遜表示:“南極洲是研究生命存在相關基本問題的絕佳地點。對我來說,這真的非常有吸引力。我們前往地球上最邊緣的地方,當微生物真的被推向極限時,它們是如何生存下來的?。”通過回答這個問題,約翰遜希望開啟對生命的全新理解,不管是在地球上,還是在其他地方。研究人員希望,與最嚴酷的環境抗爭3000多年的微生物能夠教給我們更多關於生存的知識。之所以將把萬達湖稱為“偏遠之地”,是因為即使從最近的城市――新西蘭的克萊斯特徹奇出發,也需要乘坐7小時飛機、駕車行駛1小時、然後再乘坐直升機飛行45分鐘才能抵達這裡。它被群山環繞,這反過來阻止了在山谷中移動冰川的侵蝕作用。這裡的風速達到每小時320公里,經過地面摩擦時會加熱、融化、蒸發以及吹走大部分分。由於只剩下了沙礫和湖泊,它的含鹽量是普通海的十倍。即便如此,全年的大部分時間裡依然被4米厚的冰層覆蓋。然而,這裡的環境並非古來如此。3000年前,這個湖比現在深得多,淹沒了山谷更高的地方,裡面生存着大量的微生物。隨着湖消退,含有這些微生物的湖床沉積物暴露在空氣中。隨着時間的推移,“微生物席墊”風乾,最終被風沙所覆蓋。你可能會想,對於曾經在湖中生存的微生物來說,這不是一個好地方。然而,當約翰遜的團隊來到這裡的時候,他們發現這個“席墊”仍然完好無損,彷彿它已經在幾千年的乾旱歲月中癒合了傷口。大量細胞在這裡存活了下來。但問題是,它們如何生存下來的?探究生命的秘密 南極洲是微生物研究的絕佳地點圖2:麥克默多科考站位於羅斯島的頂端,可以容納1200人一種理論認為,這些細胞進入了休眠狀態。正如約翰遜所言,它們潛伏下來,並關閉所有的新陳代謝活動,基本上就是在等待條件恢復到更加溫和的狀態再復蘇。但如果真是這樣的話,隨着時間的推移,環境會造成損害,細胞也會受損,最終無法修復。可是這種情況沒有發生。於是,約翰遜開始研究另一種假設,即細胞將新陳代謝維持在很低的平,並繼續進行自我修復。約翰遜說:“我們想問的一個問題是:在什麼樣的條件下,我們認為休眠是最受歡迎的,或維持着非常低的代謝活動平,至少足以修復你的基因組,這樣它就不會被損壞,以至於無法修復?”要做到這一點,你需要了解這種能力背後的遺傳學原理。這些微生物的DNA究竟為何使它們如此堅韌?以前這是不可能的。這是第一次,冰上的研究人員裝備了口袋大小的DNA測序儀,即英國Oxford Nanopore公司生產的MinION MK 1B,用來對冰層上的微生物進行取樣和測序,不是發送回樣品而是數據。在如此惡劣的環境下生存,意味着微生物已經進化出能夠提供保護的生物化學物質。這些化學物質被稱為次生代謝物,對人類也同樣非常有用。例如,一個群體構成了現代抗生素的基礎。對嚴酷環境中發現的生物體進行DNA測序,不僅可以讓科學家們增加生物種類目錄,還可以增加已知的能夠產生有用次生代謝物的基因目錄。同樣的,現場進行排序是很重要的,因為在很多方面,它使傳統的冒險生物學重新出現。維多利亞時代的植物學家會到喜馬拉雅山東部去帶回罕見的蘭花,而如今的遺傳學家正前往極端之地帶回基因。

但是,作為喬治敦大學的行星科學助理教授,約翰遜有另一個理由去研究在惡劣環境中生存的微生物,那就是為將來探索火星生命做準備。她解釋說:“對於南極來說,微生物非常重要。而它是地球上最像火星的地方。這很重要,因為我們在地球上發現的微生物有可能曾經在火星上居住過。當這顆紅色行星上還有液態流動的時候,小行星的撞擊導致來自火星和地球上的岩石相互撞擊。我們可以確定,這些岩石沿着兩顆行星的方向飛行,所以微生物的生命也有可能隨之而去。在火星上,即使蒸發或冰凍之後,生命也可能存活下來。而在南極洲,同樣存在這種可能。也許埋在火星碎石下面,有些類似的東西正等待着被發現。

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *