茫茫大海,它们如何生存?

原创: 海生张 海洋欢乐谷 2月9日

我们对大海的印象总是定性的“无边无际”“茫茫一片”“深邃蔚蓝”,那么将“茫茫大海”量化来看,海洋面积约3.6X 108平方千米,平均深度为3800米,总体积约1.4X1021升,水体总重达1.4X1018吨……广阔的海洋造就了各式各样的环境,那么海洋微生物们是如何在不同环境下生存的呢?它们有什么样的独家秘笈呢?今天,我们就以紫外辐射、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,从而阻碍了 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,便被称为“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。

海洋发光细菌

然后我们潜入海里,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个大气压微生物;另外甚至有极端嗜压菌只有在压力超过400个大气压才能生存。

那么微生物的耐压机制呢?第一点,是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;第三点是甘氨酸、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。

嗜压菌代表选手——詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)

借助我们的蛟龙号继续下潜,我们看到了海地热液系统、深海烟囱、海底火山,这些极端环境水温可达300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。

深海热网菌(Pyrodictium abyssi),最适生长温度为105℃,你敢想象?

杆状产甲烷菌(Methanothermus fervidus),最适温度82°C,也很了不得

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℃,并非零下几十度的寒冷环境。

在海底还能看到下图这样的美丽的景象,它就是海底盐池。形成过程大致是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。

海底盐池

在这些环境中生活着极端嗜盐菌,通常是古菌,其盐度适应范围是2.5-6.2 M。嗜盐菌生存策略主要有俩: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。

盐杆菌(Halobacterium salinarum


看到这里,不得不感叹微生物们与极端环境作斗争的智慧。它们尚且如此穷且益坚,我们是否更应努力奋斗?

祝各位看官猪年大吉,万事胜意!

保护海洋就是保护我们自己,欢迎加入我们的志愿者队伍 , 益起守护那片海!