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[科教] 自然界偷基因生存策略:给物种带来顽强生命力

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发表于 11-17-2016 08:29 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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北京时间11月3日消息,据国外媒体报道,世界上最顽强的生命形式是什么?科学家们在寻找这一问题答案的过程中,发现了自然界一种“偷”的生存策略。一些生物可以生存于极热、极寒、极酸、极毒的极端环境中,比如美国黄石国家公园沸腾的温泉中的一种水藻,它的生存秘密就是从其它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。这种“偷基因”的生存策略就是所谓的“水平基因转移”。

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冰岛火山区发现的名为“Galdieria sulphuraria”的温泉红藻。

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在冰岛首都雷克雅未克附近的一块岩石上,生长着一种名为“Galdieria sulphuraria”的温泉红藻。图中岩石上黄色的是硫磺沉积物,绿色的则是温泉红藻。

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在冰岛首都雷克雅未克附近的一个温泉中,岩石上黄色的是硫磺沉积物,绿色的则是温泉红藻。


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生命之树:有时基因会从一根树枝跳到另一根树枝。

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绿叶海天牛直接从海藻那里获取了负责修复叶绿体的基因,因此它们也拥有了光合作用的能力。

世界上最顽强的生命形式是什么?是“不死的小强”吗?蟑螂以及生命顽强而著称,有人甚至相信它们能够在一场核灾难中幸存。水熊可能生命力更为顽强,已有科学证明水熊能够在外太空环境中生存。现在,它们又遇到了另一个竞争对手,一种名为“Galdieria sulphuraria”的温泉红藻可以在美国黄石国家公园沸腾的温泉中生存,这些温泉水来自地底,其中含有大量的砷和重金属,其腐蚀性相当于蓄电池的酸液。那么,这种水藻的生命秘密是什么呢?一个字,偷。它们从其它生命形式那里偷来生存的必要基因。这种生存策略在自然界中可能比我们想像中的要普遍得多。

绝大多数生存于极端环境中的生物都是单细胞微生物,细菌或者古生菌。这些简单、古老的生命形式没有其它动物那么复杂的生物学特征,但是它们的这种简单性也是一种优势:它们能够更好地适应极端条件。数十亿年来,它们躲藏于世界上最不适宜生命存在的环境中,如地层深处、海洋底部、永冻土中或沸腾的温泉中。经过数十亿年的进化,它们的基因已经发展到可以帮助它们对付几乎任何事物。如果有其它更为复杂的生物经过,它们有可能找到一种更为有效的进化捷径,比如,去偷那些能够帮助它们在极端环境中生存的基因。这样它们就不用经过数百万年的艰苦进化,很轻易拥有这些生存能力。


这就是为什么这种温泉红藻拥有顽强生命力的原因。在意大利、俄罗斯、冰岛以及美国黄石国家公园沸腾的硫磺温泉中,能够发现温泉红藻在其中“快乐地生活”。这些沸腾的温泉有的水温高达56摄氏度。虽然在高达100摄氏度的热液中也有发现某种细菌的存在,在海底热液出口处高达110摄氏度的环境中也有少数细菌活动,但是,对于拥有更复杂生命形式的真核细胞生物(包括动物、植物)来说,能够耐56摄氏度的高温已非常了不起。温泉红藻也是一种植物。大多数植物和动物都无法忍耐如此高温。热量会分解蛋白质中的化学键,从而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。

更令人震惊的是这种红藻的耐酸性。一些温泉的PH值在0到1之间。酸性物质会干扰细胞内的蛋白质和酶,造成生物体内一些生命必需的化学反应发生混乱。美国俄克拉荷马州立大学生物学家Gerald Schoenknecht介绍说,“其它大多数生命形式都无法忍耐极端的高温和酸度。温泉红藻可以在PH值为0的环境中生存,这相当于在稀释后的蓄电池酸液中生存。其它大多数生物体,甚至细菌都无法在PH值如此低的环境中生存。”温泉红藻生命力强大并不仅仅体现于耐高温和耐酸性。这种红藻可以抵抗住砷、汞等毒性,还可以生存于盐度极高的环境中。对于大多数生命形式来说,这些有毒元素往往是致命的。而在盐度极高的环境中,太多的盐会阻止植物细胞汲取水份,造成植物脱水、枯萎。

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温泉红藻可以生存于一些极端环境中。

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美国黄石国家公园的一个温泉周围的土壤和岩石上长有温泉红藻。


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此前一般认为,真核生物很少发生“水平基因转移”

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美丽的帝王斑蝶也会偷基因,不过它们是从寄生蜂那里偷来的。

为了找到温泉红藻生命力强大的秘密,美国俄克拉荷马州立大学和德国海因里希-海涅大学科学家对其基因进行解码分析。分析结果令科学家们为之震惊。温泉红藻的超强生存能力并不是遗传自其祖先,而是从其它细菌那里偷来的。这种“基因交换”现象被称为“水平基因转移”。通常,一种生命形式所携带的基因都是遗传自父母,人类这一特征很明显。不过,来自其它完全不同物种的“异类”基因有时也能够很好地融入到自己的DNA中。这一过程在细菌身上很常见。虽然有科学家提出在人类身上也有发生这种现象,但这一提法至今仍有争议。

当外来的DNA融入到新的主体时,它是否就是无所事事呢?答案是否定的。外来的DNA会劫持新主体的生物学系统,促进其产生新的蛋白质,从而帮助新主体拥有新的技能,比如在新的环境中生存的能力。如果这种基因转移发生足够频繁,就有可能将新的主体(生物体)带到全新的进化路线上。


研究人员从温泉红藻身上总共发现了75种基因来自其它的细菌和古生菌。当然,并不是所有的基因都给红藻带来明显的进化优势,甚至一些基因的确切功能目前还不明朗。不过,确实有许多外来基因帮助温泉红藻可以在极端环境中生存。比如,它们拥有与汞和砷等有毒化学物质共存的能力,就是某些偷自细菌的基因的功劳。其中一种基因可以称得上“砷泵”,也就是说它可以帮助红藻有效地将砷等从其细胞中抽走。还有一种偷来的基因,相当于金属运输机,它可以帮助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。有的基因会帮助温泉红藻进行解毒应对汞的毒性。温泉红藻偷来的基因中还有一种可以忍耐高盐度环境。在正常条件下,高盐度环境会吸光细胞所有的水份并杀死细胞。但是,温泉红藻则可以逃脱这种死亡的命运。

温泉红藻究竟又是如何应对极端高温环境的呢?这一现象至今仍然是个谜。科学家们也未能找到特定的基因来解释这一奇特的生物学特征。细菌和古生菌可以生存于极高温环境中,因为它们拥有看起来完全不同的蛋白质和细胞膜。但是,科学家们仍然未能搞清楚温泉红藻到底偷来的是哪种基因,以及基因又是如何发生变化的。现在能够明确的是,这些偷来的基因让温泉红藻拥有了巨大的进化优势。

那么,温泉红藻又是如何偷取如此多的基因的?温泉红藻所生活的环境中有大量的细菌和古生菌,因此温泉偷取的机会很多。科学家不明白的是,DNA究竟是如何从细菌身上转移到完全不同的生物体内的。为了成功进入新的生物体,DNA首先必须要进入细胞中,然而再进入细胞核,最后才能将自己粘接到新主体的基因组上。Gerald Schoenknecht介绍说,“现在最好的猜测就是病毒起到了传送机的作用,将基因物质从细菌和古生菌那里传送到温泉红藻身上。但这只是一个猜测,目前还缺少证据。实际上,进入细胞可能是最艰难的一步。一旦进入细胞中,再进入了细胞核以及融入到细胞核基因组就可能不会有障碍了。”

在其它一些高级生物身上也有发现“偷基因”的现象,大多也是为了保证自己在极端环境中生存。比如,一种名为“Chloromonas brevispina”的雪藻,它们可以在南极的冰天雪地上生存,它们身上携带的某些基因可能就偷自细菌、古生菌及真菌。参差不齐的冰晶可能会刺穿细胞膜,因此生活于极端寒冷气候中的生物必须要找到解决这一问题的方法,其中一种方式就是生成一种冰结合蛋白,可以防止细胞被刺穿。


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,这种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。雷蒙德介绍说,“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。”

在真核生物中,也有发生“水平基因转移”现象的案例。在南极海冰中生存的微型甲壳类动物就拥有这种技能。德国基尔大学极地生态研究所科学家雷纳尔-基科介绍说,“我发现,南极一些浮游生物(Stephos longipes)可以在海冰表层的极寒盐水中生存。这种海冰表层的盐水温度可能低于水的凝固点,具体情况要看海水盐度的大小。”为了生存并保证自己不被冻僵,这些浮游生物会生成一种防冻蛋白,可以防止血液不会凝固。这种蛋白在其它的甲壳类动物身上从未发现过,却与海冰藻的蛋白很相似。这表明,这种蛋白是通过“水平基因转移”的方式获得的。

美丽的帝王斑蝶也会偷基因,不过它们是从寄生蜂那里偷来的。小茧蜂会将携带病毒的卵注射到宿主昆虫的体内。携带病毒的DNA会劫持宿主的大脑,将宿主变成僵尸,其实就相当于蜂卵的孵化器。科学家们在帝王斑蝶体内发现了小茧蜂的基因。这些基因让帝王斑蝶拥有更强大的抵抗病毒的能力。

一种被称为“绿叶海天牛”的动物竟然也拥有光合作用的能力。科学家认为,这种现象是由于绿叶海天牛食用了叶绿体造成的,它们食用海藻获取了光合作用的能力。研究表明,绿叶海天牛直接从海藻那里获取了基因。科学家将荧光DNA标记植入到海藻基因组中,这样可以直观地看到基因到了哪里。绿叶海天牛食用了这些海藻后,明显拥有了负责修复叶绿体的基因。

科学家认为,“偷基因”可能是自然界一种非常普遍的进化策略。“虽然物种进化一直在进行,但‘水平基因转移’或将让进化的步伐迈得更大一些。”

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发表于 11-17-2016 11:07 AM | 显示全部楼层
感谢妖精的尾巴分享~~~
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