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2017年02月19日 星期日 放大 缩小 默认   
动植物“偷基因”
李忠东
  在意大利、俄罗斯、冰岛以及美国黄石国家公园沸腾翻滚的硫磺温泉中,生活着一种温泉红藻(Galdieria sulphuraria)。这些来自地底的温泉有的水温高达56°C,而且含有大量的砷和重金属,腐蚀性极强。尽管在高达100°C的热液中发现某种细菌的存在,在海底热液出口处高达110°C的环境中也有少数细菌活动,然而大多数植物和动物都无法忍耐如此高温。因为热量会分解蛋白质中的化学键,对酶产生破坏性效果,细胞膜也会变薄破损,进而导致细胞破裂。作为植物的温泉红藻却能够耐56°C的高温,实属难能可贵。

  这种红藻生命力强大不仅体现在不惧怕高温,还表现出超强的耐酸性。一些温泉的PH值在0~1之间,生物体细胞内的蛋白质和酶因酸性物质的干扰,使一些生命必需的化学反应发生混乱,而它却毫发无损。“其他大多数生命形式都无法忍耐极端的高温和酸度。无法在PH值如此低的环境中生存”美国俄克拉荷马州立大学生物学家杰拉尔德·舍恩克内克特介绍说,“PH值为0相当于稀释后的蓄电池酸液,温泉红藻却能在这种环境里存活下来。”

  温泉红藻耐盐性和抗毒性极高,令人惊讶。在盐度极高的环境中,植物细胞因太多的盐而汲取水分困难,造成脱水枯萎。可它却安然无恙。对于大多数生命形式来说,砷和汞等毒性物质往往是致命“杀手”,但它对这些有毒元素很不以为然。

  为了揭开温泉红藻顽强生命力之谜,美国俄克拉荷马州立大学和德国海因里希-海涅大学科学家对它的基因进行了解码分析。使研究人员深感震惊的是,这种红藻的生命秘密可归纳成一个字——“偷”,从其他生命形式那里“偷”来生存的必要基因,而不是从父辈那里遗传。在极端环境中生存的绝大多数生物都是单细胞微生物、细菌或者古生菌。它们的生命形式简单,不像其他动物具有那么复杂的生物学特征。正是得益于这种简单性,它们能够更好地适应极端条件,藏身于地层深处、海洋底部、永冻土中或沸腾的温泉等最不适宜生命存在的环境中。

  在温泉红藻身上,研究人员一共发现了来自其它的细菌和古生菌的75种基因。虽然并非所有的基因都能给它带来明显的进化优势,但确实有许多可以帮助其在极端环境中生存。一种“偷”自细菌的基因能起到类似“泵”的作用,帮助这种红藻有效地将砷等有毒物质从其细胞中抽走,使其拥有与汞和砷等有毒化学物质共存的能力。还有一种“偷”来的基因功能相当于“金属运输机”,有助于温泉红藻快速排出有毒金属,同时从周围环境中汲取有用的金属元素。有的基因会让它进行解毒应对汞的毒性,还有的基因可以确保其忍耐高盐度环境,逃脱因细胞内所有水分被吸光而死亡的厄运。

  这种“偷基因”的生存策略被称之为“水平基因转移”,在自然界中可能比人类想象中的要普遍得多。一些高级生物为了保证自己在极端环境中生存,也会采用“偷基因”手段,雪藻(Chloromonas brevispina)就是其中一例。在极端寒冷气候中,参差不齐的冰晶会刺穿细胞膜,因此必须生成一种可以防止细胞被刺穿的冰结合蛋白。美国内华达大学科学家詹姆斯·雷蒙德绘制了这种雪藻的基因组并发现,它身上的冰结合蛋白的基因与细菌、古生菌和真菌的某些基因极为相似。“这些基因很明显是极端寒冷环境中生存的必要基因,因为到目前为止在所有与冰相关的藻类身上都发现有这种基因,而在较温暖地带任何一种藻类都没有携带这种基因。”他指出,“这表明,雪藻就是通过‘水平基因转移’的方式获取了在极端寒冷环境中生存的能力。”   李忠东  

     
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