战斗力爆表的生存大师：地球上的嗜极生物
2018/5/3 11:31:21 中国科学院北京基因组研究所
正如大家所知，在强酸、强碱、高盐、高温以及高辐射这些极端环境下，各种各样的生物依然顽强地生存着。但是，到底这些嗜极生物有什么本领？他们如何适应环境？在此我们从中挑出其中的代表--水熊虫，从基因组层面解密其生存的武功秘籍。
相信大家依稀记得小时候看过的葫芦娃的故事，面对残忍的蛇精，七个葫芦娃各个身怀绝技，同她顽强的战斗着。其实，在地球上，也有七大嗜极“金刚葫芦娃”面对拥有酸碱化骨绵掌、冰火两重天等类似蛇精般恶毒技能的极端自然环境，发起奋力抵抗、拼死一搏。首先，小编带你了解什么叫嗜极生物。
嗜极生物是指在极端环境下生存的生物，哪些可以被称为极端环境？强酸、强碱、高盐、高温、低温以及高辐射等环境条件。
没概念？来来来~感受下~
浓硫酸瞬间将卷纸炭化
美国国家公园一强酸温泉~泡个澡怎么样呢？死的连渣都没有
哥们强碱，威力如下
强碱氢氧化钠的化骨绵掌
word 天哪，晚饭还怎么吃 ？？？
因此，根据生存环境的不同，这些嗜极生物大致可以分为如下八类：
嗜酸微生物：嗜酸菌生长于PH 1以下，能在强酸性条件下生长繁殖，需要维持胞内外的pH梯度。现在一般认为它们的细胞壁、细胞膜具有排斥H+，对H+不渗透或把H+从胞内排出的机制。例如，图上的美国国家公园的强酸温泉，就是这些嗜酸微生物的天堂。除此之外，在生产硫酸、盐酸和硝酸这样强酸的工厂下游，也会聚集着大量嗜酸微生物。(脑补一下PH值，它是衡量物质酸碱性的，中性为7，例如饮用水。以PH7为基准，PH值越大碱性越强，向上数值可以到14，PH值越小酸性越强，向下数值可以到0。)
嗜碱微生物：嗜碱菌则和嗜酸菌对着干，生长于高达PH 11的条件下。主要有巴氏芽孢杆菌、嗜碱芽孢杆菌等。碱性环境较少见，如石灰厂排放水、某些含碱食品制造过程的污染、碳酸盐湖及碳酸盐沙漠。
嗜盐微生物：生长的最适盐浓度大于0.2mol/L(氯化物)的微生物，有的甚至可以生长在饱和性食盐水中。嗜盐菌自成一科，下有六个属：嗜盐杆菌属、嗜盐小盒菌属、嗜盐富饶菌属、嗜盐球菌属、嗜盐嗜碱杆菌属、嗜盐嗜碱球菌属。有学者认为嗜盐菌是由厌氧的产甲烷菌进化而来。嗜盐菌能利用微量的氧合成类胡萝卜素，这可能是对150万年前开始出现的有氧环境的进化反应。
嗜热微生物：这类微生物的生长温度在50-90度，超嗜热菌在90度以上，高限为110度。有一类嗜热菌能在90度以上环境中生活，其最适宜温度高于80度。
嗜冷微生物：最适生长温度是零下2摄氏度，高于零上10摄氏度则不能生长。嗜冷菌可以抵御极端的寒冷环境，比如南极的沿海冰层(约-15摄氏度)，以及冰箱、冷库等。嗜冷菌在地球上的分布范围极其广泛。地球表面大部分地区平均温度低于15摄氏度。因此，在高山上、极地地区，以及大洋深处均可以发现它们的踪迹。嗜冷菌之所以可以在冰点下存活与繁殖，是因为它们有一种特殊的脂类细胞膜。这种细胞膜在化学上可以抵御由极寒带来的硬化，使得其内蛋白质呈现出抗冻能力。
南极冰盖
嗜高压微生物：生于海平面以下10500m的深水处，最适压为700~800个大气压，最高为1035个大气压。
地球最深处--11000米的马里亚纳海沟，这里依然有生命
嗜辐射微生物：嗜辐射微生物只是对高辐射环境更具耐受性，而不是对辐射有特别嗜好。总的来说，革兰氏阳性菌强得多，芽孢菌的耐辐射力远大无芽孢菌。1956年美国俄勒冈一教授首次在经大剂量辐射灭菌的肉罐头中分离出耐辐射奇异球菌。此后，又从以杀菌为目的进行辐射处理的食品、医疗器械或饲料等样品中，分离出各种耐辐射细菌。如今，核电风生水起，核泄漏事故成为人类的灾难。然而，经过切尔诺贝利核泄漏和福岛核泄漏的洗礼，无数耐高辐射的微生物被选择下来成为那片土地的新主人。
福岛核泄漏事故
其他嗜极微生物包括：专性厌氧菌、嗜有机溶剂菌等，有些微生物可以解除神经毒气、硝基芳香物(如TNT)、甚至三氧化二砷(砒霜)等有毒物质。此外，有些嗜极菌生长于含有一种以上环境参数的极端环境下，例如嗜压嗜酸菌，生于海底，同时承受高压和强酸。此外，还有一个明星--水熊虫，此货不仅耐高温(151°C)、超低温接近绝对零度(最高纪录-272.8°C)，还可以在高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等，下面我们单聊这货。
电镜下的水熊虫，人工色彩处理。
接下来将对这个战斗力爆表的生存大师一一揭秘!!
1. 为什么称之为水熊虫？
水熊虫(Water bears)其实是对缓步动物门(Tardigrata)生物的通称，有记录的约有900余种(什么？这种神一般的生物居然不止一种？!有没有一种张无忌在光明顶迎战六大门派--个个都是高手的感觉!)，其中许多种是世界性分布的。如果硬要找出一个代表性的种，小编在NCBI 基因组数据库里搜索到一种基因组序列已经被测出来的--学名Hypsibius dujardini(算了，还是小名可爱)。言归正传，为什么叫它水熊虫呢，因为它看起来像多腿的小熊，八条腿晃晃悠悠，外形憨态可掬。
NCBI上公布的基因组已测序的水熊虫种
同时它体型极小，最小只有50微米，而最大的则有1.4毫米，必须用显微镜才能看清。它们的体色主要是由其所食的食物赋予的，因此诸如通体透明、无色、黄色、棕色、深红色或绿色都是大神华丽的铠甲。在身体表层覆盖着一层水膜，用于避免身体干燥，同时可呼吸水膜中的氧气。另外一个特点是，它们从卵里生出来就已成年，无童年时期，身体里细胞的数量终生都不再改变。(天才一出生就这样啊)
2. 水熊虫到底有哪些神技能？
水熊虫是地球上已知生命力最强的生物，上到喜马拉雅山脉(6000m 以上)、下到11100m的马里亚纳海沟；从高温高压到低温低压、从极度缺氧到超高辐射，甚至是外太空，这位大神无所不在。来看看它的战斗力数据吧：
不过要能承受如此苛刻的极端环境，水熊虫必须进入铁甲小宝似的超级变换形态--隐生状态。
与正常状态相比进入隐生状态，躯体皱缩到极限，脱水至3%
在隐生状态它们会蜷缩成桶状，背侧的甲片会层叠在一起，甲片之间的弹性角质层会收缩。其新陈代谢速度会降低到原来的0.01%，甚至停止。不过，如此强大隐生功能只能维持几十小时乃至几天，除了搁原地做一个安静的美男子，别的啥也不能干。虽然如此，水熊虫还是成为目前已知的第一个可以在外太空存活的地球生物。2007年，缓步动物在FOTON-M3任务中，在低地球轨道的太空，暴露在真空的环境中，经历10天后它们活着回到了地球；在2011年5月，意大利的科学家将缓步动物与其它极端微生物搭乘STS-134(最后一次的航天飞机飞行，航天飞机奋进号)进入太空，他们的结论是微重力和宇宙辐射对缓步动物的飞行影响不大，确认缓步动物能在太空研究中扮演重要的角色。
3. 从基因组层面揭秘“神奇动物在哪里”
2015年12月北卡来罗纳大学的研究员在对Hypsibius dujardini 种测序之后，解析了其全基因组，他们发现在水熊虫252.536M的基因组中约有3.8万多个基因，其中多达6600个基因来自于其他物种，也就是说高达17.5%的基因不是水熊虫自有的!!!这种情况可以用基因横向迁移(HGT)现象来解释，所谓基因横向迁移是指基因在不同物种中迁移重组，这种现象常见于与细菌等微生物共同生存的物种中，它们能够从细菌基因组上获得相关利己基因并且可以整合到自己的基因组上被稳定遗传，正所谓近朱者赤近墨者黑!不过普通生物转移的基因都不多(≤1%)，在水熊虫被揭露以前，地球上基因横向转移最多的是一种轮虫，现如今水熊虫的这个本领居然高达17.5%!
水熊虫的基因组结构
水熊虫果真是通过HGT获得如此多的外源基因，那么解释它能承受如此多而严苛的环境压力似乎顺理成章--前面介绍过地球上耐酸碱、高温、高压、辐射以及其他严苛条件的生物，面对一种新环境，虽然水熊虫自己没有相关耐性基因，但是它可以通过强大的HGT获得其他嗜极生物的耐性基因，因而便产生了新的耐极端条件的特性了。当然，这种HGT过程不是一蹴而就的，肯定需要漫长的演化。
话说到这儿，如果你认为已经完美的get到水熊虫生存的基因秘密了，那么你就错了。在北卡研究团队发布结果的3个月之后，16年3月英国爱丁堡大学发出第二篇水熊虫基因组测序的文章，爱丁堡团队认为北卡团队的基因组有多达30%的信息是受污染序列，真正横向迁移的基因只有38个，这个数目跟普通生物的横向迁移率是差不多的，借用《伤仲永》里的一句话--泯然众人矣。如果先前测序结果的确受到污染影响，横向迁移基因没有那么多，那么如何更好解释水熊虫的逆天战斗力呢？
受限于现在的DNA测序水平，水熊虫的基因组存在着巨大争议，要彻底弄清其耐性机理、揭开这层神秘的面纱似乎还有待进一步的研究。说到这，我们的独孤求死之终极葫芦娃--水熊虫也快讲完了，不过像小说中拥有盖世神功的绝顶高手总有命门一样，我们的水熊虫也有致命缺陷!那就是怕机械损伤，换句话说你可以在显微镜下用镊子压死它。
说了这八大嗜极生物以及其中的杰出代表水熊虫，科学家到底研究这些嗜极生物有什么用呢？
这用处可大了，首先是来自这些嗜极菌的极端酶对于人类有重要作用，其中最为出名的就是嗜热酶。典型代表是Taq DNA聚合酶，它是从一种嗜热细菌中分离提取的，该菌是1966年从美国黄石国家森林公园的一个热泉中发现的。实验表明，Taq DNA聚合酶在参与PCR反应时变性温度为95 ℃，经过50个循环后，仍有65%的活性。Taq DNA聚合酶的热稳定性是该酶用于PCR的前提条件，也是PCR技术能迅速发展和广泛应用的原因。可以说这种嗜热菌除了为专利持有者带来巨大经济利益，也极大推动了分子实验技术的发展；其次，研究这些嗜极生物的基因组结构、表观遗传调控对于了解它们如何从根本上面对胁迫环境有着重要意义；最后，弄清楚这些嗜极生物的生存奥秘很可能是人类探索外太空生命的第一步，人类要想走向严苛的外太空，必须要低下高高昂起的头颅，向这些可爱的小生命学习!
Reference：
【1】https://zh.wikipedia.org/wiki/缓步动物门
整个世界都是我的装备库! 来看看四标最强的水熊秘诀.PanSci.
【2】Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade. Boothby TC, et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2015 Dec 293
【3】Identifying contamination with advanced visualization and analysis practices: metagenomic approaches for eukaryotic genome assemblies. Delmont TO, et al. PeerJ 2016 Mar 29
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