来自 工作 2021-09-22 11:51 的文章

生命如何在极端环境条件下生存?

为了生存,所有生命都需要满足一些基本需求,包括水(或一些溶剂)、能源和基本生物分子,如碳水化合物、蛋白质、脂肪和核酸(DNA)等。
新浪科技讯北京时间9月22日,据外媒报道,无论是在火山这样的炎热之地还是地球两极这样的寒冷之地,生命都能找到生存的机会。生长在这些极端环境中的生物被称为极端微生物。它们的身体进化出了一些独特的适应能力,能够在这些极端环境中生存。
 
地球很大。从炎热的沙漠到寒冷的冰川,再到世界各地复杂的生态环境,几乎所有的地方都有一个共同点——生活。虽然人类不能在南极洲或撒哈拉沙漠舒适地生活,但这并不意味着那里没有生命可以生存。你可能会惊讶地发现,有许多生物顽强地生活在地球上一些最奇怪、最糟糕、似乎最不适合的环境中。
 
生命的形成需要什么?
 
为了生存,所有生命都需要满足一些基本需求,包括水(或一些溶剂)、能源和基本生物分子,如碳水化合物、蛋白质、脂肪和核酸(DNA)等。如果这些基本需求不能得到满足,生物体将没有足够的资源来生长或产生能量来维持它们的生存。因此,在每一个恶劣的环境中,生物都应该有适应能力来满足这些需求。
 
但这还不是全部!为了更有利于生长,生物需要进一步适应环境。这意味着当你生活在寒冷的国家时,有必要多穿一件毛衣。你可能会得到水、食物和住所,但有了这件毛衣,你肯定会比没有它更舒服。
 
生物如何在寒冷中生存?
 
北极动物,如北极熊、海豹和北极狐,皮毛较厚,能产生更多的热量。
对于微生物和动物来说,再聪明也不能给自己织一件暖和的毛衣。相反,在漫长的进化过程中,他们发展出神奇的适应性。
 
以生活在世界上最冷大陆的企鹅为例。他们的身体天生具有保暖的功能;它们的静脉包裹在动脉周围,使动脉中的血液稍微保持温暖。最重要的是,当它们潜入冰冷的海水中捕猎时,它们的心率会下降15%,这将有助于身体储存更多的能量,而这些能量可以用来使身体产生更多的热量。甚至它们的羽毛也厚厚地重叠在一起,以保护它们免受刺骨的寒风和冰冷的海水的侵袭。
 
其他北极动物,如北极熊、海豹和北极狐,也有类似的特征。它们有更厚的皮毛,它们的身体可以产生更多的热量。
 
许多微生物也适应极端寒冷的环境,被称为嗜冷微生物。这些微生物可以产生果冻状的糖,称为胞外多糖,起保护作用。一些细菌和真菌甚至制造抗冻蛋白。这些蛋白质可以降低水的冰点,防止细胞内的水分冻结,从而避免冰晶生长带来的伤害。
 
生物体如何在高温下生存?
 
那么,有没有嗜热生物?生活在沙漠、火山附近和温泉中的生物有很多种。它们如何在高温环境下生存?
 
对于生活在极热气候中的生物来说,最重要的生存能力显然是保水。最著名的例子是骆驼,它可以在不喝水的情况下存活长达7个月。
 
一个常见的误解是骆驼把水储存在驼峰里,但事实并非如此。驼峰实际上是由许多脂肪组织组成的。当他们找不到其他食物时,他们会用这些脂肪组织作为替代食物来源。
 
骆驼比大多数生物需要更少的水。它们的血细胞可以储存更多的水分,它们的皮毛可以防止出汗和水分流失。
 
仙人掌可以通过在茎和多刺的叶子中储存水分来适应沙漠环境,以防止水分通过蒸腾作用流失。它们的根很细,但覆盖范围很广,这使它们能够吸收周围环境中可能存在的少量水分。
 
微生物在沙漠中的生存方式是几乎全年保持不活动,除非下雨。
 
除了沙漠,微生物甚至可以生活在热液喷口附近。这些喷口是深海中的小裂缝,大约122摄氏度的热水从这里源源不断地被泵出。生活在热液喷口或火山中的微生物被称为超嗜热菌。
 
超嗜热菌的细胞膜更加柔韧,流动性更强,因此温度较高的水可以更快地进出细胞膜。丁基高温菌和产甲烷细菌是高温菌的两个例子。
 
可以想象,在海底深处或火山附近很难获得富含能量的营养物质。因此,这些微生物通过化学反应利用周围的元素产生生存所需的能量。例如,一些微生物可以利用硫、铁、甲烷或氢气产生能量,它们被广泛称为化学合成微生物。
 
生命还能在哪里生存?
 
骆驼的驼峰越小,它的脂肪就越少。
除了那些忽冷忽热的地区,地球上还有许多其他环境条件同样恶劣的地方,但它们仍然充满了生命。这些环境包括极端的酸碱度环境或含盐量极高的环境,如死海。
 
在一些矿井附近,我们偶尔会发现被称为矿井排水的水体,它们的酸性极强。岩石中的酸性元素,如硫化铁,会与氧气和水反应,使这些水呈酸性。这种酸很强,甚至能溶解重金属。大型动物无法在如此有毒的环境中生存,但微生物可以。
 
这些微生物被称为嗜酸菌,比如醋酸杆菌(Acetobacter aceti),它可以通过在体内产生多一点的碱性蛋白质,并泵出质子(氢离子)来维持pH水平。这种能力有助于中和环境的酸性。最重要的是,组成嗜酸生物细胞的蛋白质碱性更强,这也有助于中和细胞周围的酸性环境。
 
对于嗜碱微生物来说,情况正好相反。它们将氢离子泵入体内,中和环境的碱性,它们的细胞蛋白酸性更强。
 
即使是海洋中最深最黑的地方也能孕育生命。在地壳下十公里处,也有适应没有阳光和空气的生活的微生物。甚至在非洲金矿地下3公里挖掘出的岩石上,也发现了特殊的生命形式!
 
看完这篇文章,你一定在想:“哇,人生真的可以活在任何地方!”正是这个想法让科学家们对外星生命感到困惑。也许在月球、火星或太阳系的其他天体上有一些未知的生命形式。当然,我们不可能是宇宙中唯一的生命形式,对吧?
 
诚然,能在如此恶劣的环境中生存下来的大多数都是微生物。对于像动物这样复杂的生命形式来说,在极端的温度和压力下生存是一个更加困难的挑战。理论上,任何有水(或类似溶剂)和能量的行星都应该能够维持生命。科学家们对极端微生物及其生存机制做了大量的研究。如果我们最终能破解它们的生存密码,我们也许就能解释其他生命形式将如何在宇宙的其他地方生存。当然,我们不知道那里的生命是否会像地球上的生命一样,但我们可以肯定,它们也会一样有趣!