有哪些逆天的微生物?

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有哪些逆天的微生物?

图片:sbtlneet / CC0

知乎用户,曾经的鄙视链最底层医生

丧一点说,世界上最孤独的物种;励志一点说,世界上最自力更生的物种,Desulforudis audaxviator,中文命名黄金独生菌,就是下图中杆状的细菌。

图片来自维基

科学家 2005 年在南非一个金矿距地面 2.8 公里的地下水里发现了 D. audaxviator,2008 年发了一篇 Science(羡慕)。这里的环境非常恶劣,水温达到 60 摄氏度以上,pH9.3,没有氧气,没有阳光。

但是这些都没啥,因为很多嗜极生物都能做到甚至更厉害(比如极地冰盖和深海火山的某些细菌),而 D. audaxviator 最逆天的地方是它一个物种就能独立构建一个生态系统,完全不需要和其他物种发生联系就能独立生存,但这也意味着它们无法利用其他物种合成的有机物,能利用的有机物要么来自于同类的尸体和代谢产物,要么只能自己合成,因此要自己固氮、固碳,并且自行合成自身所需的所有氨基酸。打个比方,就像《火星救援》里马特达蒙手头连土豆都没有,仅靠一些水在火星上活下去,想想就有点惨。不过也正因为环境如此贫瘠,D. audaxviator 繁殖一代可能需要成百上千年,环境极差的时候会形成内生孢子休眠,对恶劣环境的抵抗力更强。

D. audaxviator 是一种化能自养细菌,不需要阳光,只需要周围环境中有放射性矿物、水、硫化物、氨(甚至元素氮)和二氧化碳就能生存。因为没有氧气,所以它利用硫酸根离子作为电子受体,而硫酸根离子又来自于放射线作用于水后产生的过氧化氢与硫化物的反应。简单说,黄金独生菌间接利用放射能而不是光能作为能量来源。因为它的生活环境与早期大气含氧量极低的地球、火星的某些地方很相似,所以它为研究地球甚至地外生命起源提供了一个很好的标本。我开了个脑洞,黄金独生菌甚至可以作为人类以后地外殖民的先锋,为后来者提供初步的有机物积累。

科研界的传说,发表在 Science、Nature 这种杂志上的论文一般都能独立讲一个完整的「故事」,D. audaxviator 的发现也不例外。

科学家在对南非金矿地下水的研究中已经发现过几种能在恶劣环境下生存的细菌和古细菌,但是其生态系统也是由几种物种构成,其中一种占据优势地位。

2005 年科学家在约翰内斯堡附近的 Mponeng 金矿地下取了 5600 升水,本来预计和其他研究一样,会在这些水里发现类似的生态系统,比如发现数种细菌,其中一种主要细菌占据 70-80% 的份额。他们过滤了所有的 5600 升水,2006 年在过滤物中发现了一种细菌,和之前在南非 Witwatersrand 金矿距地表 1.5 公里的地下水中发现的一种细菌类似,这似乎和预期相符。但是后来的 DNA 分析发现,过滤物中同一种细菌的 DNA 占了 99.9%,剩下的 0.1% 应该是采样和实验室的污染(几乎无法避免)。

这意味着样本中只有一种细菌,而 Mponeng 金矿的地下水已经与外界隔离达数百万年,也就是说这种细菌(也就是本文的主角 D. audaxviator)独自生存已经数百万年。

后来对 D. audaxviator 基因的分析也继续验证了这个说法。其他在类似环境下生存的细菌,其基因组比较简洁,因为它们在生态系统中各司其职,所以不需要功能面面俱到的基因组,每种细菌的基因组平均包含 1500 个基因;而 D. audaxviator 的基因组相对来说很大,当时鉴定出 2157 个基因,现在鉴定出的已经达到 2275 个基因。这些基因中包括独立生存必须的基因,比如固氮、固碳、利用硫酸跟离子作为能量来源、合成所有氨基酸的基因,意味着 D. audaxviator 的确可以独立构成一个生态系统。

D. audaxviator 的很多与独立生存关的基因来自于古细菌基因的水平转移,比如编码硫酸腺苷酰转移酶、焦磷酸酶的基因,但是给我印象深刻的是一种固氮酶,这种酶在缺乏氨的时候,能以多消耗能量为代价,直接固定环境中的元素氮!

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