地球生命之最

地球生命之最地球上很少有完全不見生命的地方。不管生存環(huán)境多么極端，幾乎總會有生物進化得能適應它。就算寒冰撕裂細胞膜，高熱毀掉細胞機制，極端溫度對于生命來說也從未構成過障礙。一些動物哪怕被完全凍結也能活下來講述“復生”經歷，另一些動物即便幾十年沒水也照樣活得下來各種奇特生命形式的存在打破了我們對于地球生命極限的認識。下面，就讓我們來見識一下地球上有哪些最極端的生命形式。最強悍對它們來說，致命射線、絕對零度、宇宙真空、極度高壓、120年沒水都不是問題。緩步類動物(或稱水熊蟲)是一種幾乎四處可見的微型無脊椎動物，從淡水到海洋、從你家花園里的青苔到高山之巔，到處都可以見到水熊蟲。它們是地球上最強悍的動物之一，在惡劣條件下，它們甚至能把自己卷起來，暫停新陳代謝，直到環(huán)境條件改善。事實上，水熊蟲創(chuàng)下了在多種極端環(huán)境中生存的紀錄，但這些紀錄都是在“超級冬眠”狀態(tài)下取得的，所以到底算不算數(shù)還有爭議。以下是水熊蟲在極端條件下的部分存活記錄：無水存活120天凍至272.8(非常接近絕對零度)，仍能生存加熱至151，還是活得下去無懼太空真空2007年9月，數(shù)只水熊蟲在一顆歐洲空間局試驗衛(wèi)星上活了10天在六倍于最深海底壓力的情況下不死對其他生命有致命作用的X射線和伽馬射線輻射量都奈何不了它們最耐壓一到海面之下，壓力就開始增加。對于適應地球表面生活的動物(包括人類)來說，水壓會造成許多問題，其中最明顯的就是不斷上升的水壓會擠壓肺和體內其他氣室。為了對抗這種效應，像海象和抹香鯨之類的哺乳動物通過讓自己的胸腔和肺坍塌以擠出空氣，從而能潛到超過1000米深度。這樣一來，它們可以長時間無需呼吸，它們血液中的血紅蛋白含量更高，肌肉中的類似分子肌紅蛋白的含量也更高。幾百米深度的水壓已達到幾十個大氣壓，一大堆問題相伴而生。由于細胞膜中的重要“通訊”通道被擠壓，神經和心肌開始掙扎，許多蛋白質不能折疊成正確的三維形狀，因而在生理意義上變得畸形。即便這樣，深海依然充滿生機。就算在海洋最深處那里的水壓可達1000個大氣壓，外形像蝦子的片腳類動物、海參、線蟲及其他蟲子、細菌照樣興旺發(fā)達。魚能游到的最大深度是8730米，離海洋的最深部分只差幾千米，但科學家迄今不明白的是：魚為什么不游得更深一些?為了生存，深海動物演化出了一系列聰明的細胞性適應策略。從細菌到魚，深海生物通常都具有更柔韌的細胞膜，這種柔韌是以不飽和脂肪替換飽和脂肪來實現(xiàn)的。它們還運用一種叫做氧化三甲胺的化合物來幫助蛋白質適當?shù)卣郫B。一旦適應了環(huán)境，動物在深海的生活就像人類在陸地上一樣愜意。而在海面，深海螃蟹和片腳類動物就會像我們在水下那樣移動困難，這是因為它們的細胞膜在一個大氣壓之下會變得過于脆弱，像魚鰾之類的充氣室會隨著上浮過程中的氣壓釋放而腫脹、爆裂。顯而易見，說到壓力還是“因地制宜”好。最耐旱在對生命的所有限制條件中，水是最不容商量的一個。一切細胞都需要水作為一種介質來讓自身化學反應在其中進行，同時保持細胞膜的完整。對大多數(shù)動物來說，嚴重脫水意味著必死無疑。然而，一些生物可以通過坐等雨水降臨而求生。緩步類動物、輪蟲、線蟲、幼蝦和一種蒼蠅在脫水后能把自己卷成球狀，然后坐等大旱結束。大多數(shù)地衣和苔蘚、一些真菌和細菌、數(shù)百種開花植物也脫水靜候情況好轉，這一等有時就是數(shù)年甚至數(shù)十年。所有這些生物都是通過用糖替代細胞內部和周圍的水分子讓自己脫水、同時又維持細胞結構的方式求生的。隨著細胞內糖含量上升，細胞質就從液態(tài)轉變成為一種叫做“糖玻璃”的固態(tài)，從而把細胞暫時“凍結在時間”里。這是一種聰明的生存策略，但并非常見。還有一些靜待干旱結束的策略則沒有這么極端。例如，一些癩蛤蟆和包括非洲牛蛙在內的多種蛙都自己挖洞鉆進去，形成一個不透水的繭狀物包裹自己，只留鼻孔呼吸。從蝸牛到鱷魚的無數(shù)其他動物都采取類似的策略。甚至包括地松鼠和一種狐猴在內的一些哺乳動物，也能通過睡大覺來度過干旱時期。不過，對所有這些生物體來說，脫水并躲起來都只是臨時性舉措，缺水對于地球上的生物來說的確是終極挑戰(zhàn)。所以，大多數(shù)物種都知道，防止缺水的最佳策略首先應該是避開嚴重缺水區(qū)域。最耐熱熱對生命來說是一大挑戰(zhàn)。在陸地上，過多的熱意味著水會蒸發(fā)掉或沸騰掉，而汗蒸房生物沒有水就不可能存活。海底沒有缺水的擔憂，但在深海熱液口溫度可高達400，那里的海水是被地球內部的熱量燒“開”的。一旦超過生物體能夠忍耐的最高溫度，像DNA(脫氧核糖核酸)和蛋白質這樣的復雜分子就開始分解，過多熱量會“燒”斷它們的化學鍵。迄今已知的生命依然能生長的最高溫度是121，這個紀錄的保持者是一種被簡單稱之為“菌株121號”的微生物，它通常生活在海底熱液口100左右的溫度下，在實驗室里被加溫至121時它顯得毫不在意，即便升到130它仍然活著，不過無法再復制，除非溫度下降。從細胞化學來看，像“菌株121號”這樣的極端嗜熱生物(嗜熱生物是指在5565溫度下生長最佳的生物)和你我沒有多大分別，不同的是它們的蛋白質和DNA排列更緊密，所以它們在斃命之前能忍耐更多熱量。然而，一旦溫度超過100，像ATP(三磷酸腺苷)這樣的基本代謝產物會在幾秒鐘內分解。因此，生命的溫度上限取決于細胞更新這些化合物的速度。多細胞生物在耐熱方面難度更大，而科學家迄今不了解其中的原因。到40以上，大多數(shù)這類生物都會出現(xiàn)問題。到60以上，任何真核生物(有膜包裹細胞核的生物)都活不了多久，但有一個例外上世紀80年代在加拉帕戈斯群島海域的海底熱液口發(fā)現(xiàn)的龐貝蟲。不同尋常的是，它們的尾部附著在熱液口壁上，因而耐受著高達80的水溫。不過，它們身體的其余部分都離高溫海水足夠遠。 科學家對龐貝蟲的尾巴如何耐受高溫仍不清楚，部分原因是這種動物在實驗室里活不了多久。它們能耐高溫的原因之一或許是它們的膠原蛋白水平高，而膠原蛋白在高溫下能保持相對穩(wěn)定。此外，龐貝蟲居住在自己建造的硬管子里，共生菌還在龐貝蟲的身上形成毛茸茸的塊狀，這些都為龐貝蟲提供了某種高溫保護。在陸地上，能忍耐最高溫度的動物是沙漠居民撒哈拉銀蟻，這種螞蟻在53以上能耐受幾分鐘，同時尋覓死在正午烈日下的其他動物作為食物。撒哈拉銀蟻為何這么不怕熱?在離巢之前它們會儲存足夠的熱休克蛋白，這種蛋白質能幫助其他蛋白質保持形狀。而且在外出覓食期間，銀蟻慣于爬上它們能找到的任何高的地方去享受微風涼意不管這種地方是植物還是正在現(xiàn)場觀察它們的科學家。最耐寒低于5，推進一切生命化學過程的生物催化劑酶的工作就會慢得很痛苦。低于0，情況會變得更糟：冰晶開始在細胞內部和周圍形成，吸干細胞中的水分，把細胞膜和細胞質割成碎片。事實上，地球上的生境中超過80都比5還冷。不過，能對付嚴寒的動物也并不鮮見。先來看微生物，它們到15左右才停止生長。這還算不上厲害，更復雜的動物采用一系列策略也取得了同樣的成績。哺乳動物和鳥類在這方面走在前面，這是由于它們能自行生熱，熱量是它們的代謝副產品。它們還通過皮毛、脂肪來為身體保暖。帝王企鵝更了不得，它們成千上萬只相互緊靠在一起，以抵御能帶來最低達60氣溫的南極冰風。在如此低溫下，大量自身缺乏內部熱量的動物一樣能存活。以南極跳蟲為例，隨著冬季到來，它們竟然能調低自己身體的結冰點，方法是合成抗凍分子，同時丟棄可能充當冰晶成核點(冰晶圍繞成核點形成)的一切東西，例如腸道物質和細菌。它們還自行生產防凍劑能保護細胞不受冰凍過程傷害的糖或乙二醇。一些動物甚至被凍僵也能存活下來，其中包括許多昆蟲、西部錦龜?shù)挠鬃雍椭T如林蛙之類的多種北美蛙。這些動物使用抗凍劑來保護最緊要的身體部分。對于不很關鍵的部分，例如體腔和眼球晶狀體，它們就通過制造蛋白質作為冰成核點，或者通過鼓勵冰成核細菌(為冰充當成核點的細菌)的生長，來促成有度的而非失控的凍結。加拿大埃爾斯米爾島上的毛熊毛蟲是一個極端例子。它要到70以下才會冬眠，方法是讓腸道物質、血液及其他細胞外液體凍結。南極線蟲走得更遠，它讓細胞質(細胞內的液體部分)凍結，只留細胞核及其他細胞器不凍結?？茖W家至今不清楚它們是怎樣應對這種古怪狀態(tài)的，但已知它們能自行合成一種或許可以使冰晶邊緣變得平滑、從而阻止傷害的防凍劑。最大在整個進化史中都屬個頭最大并且至今仍然存在的動物是藍鯨。30米的身長和190噸的體重或許已經是藍鯨的個頭上限，再大一點它們就會面臨運動時體溫過高的問題，因為它們的新陳代謝機制產生熱量的速度會更快，而多余的熱量難以透過皮膚表面散發(fā)掉。這個難題還會被厚厚的鯨脂層加重藍鯨有著在休息時為身體保溫的鯨脂層。雖然可能永遠都不會有比藍鯨還大的動物，但在某些其他種類的生物體面前，藍鯨只能算渺小。這些生物中最大的就是有“巨無霸真菌”之稱的假蜜環(huán)菌，雖然對它究竟有多大個頭還不清楚，但它目前在美國俄勒岡州馬盧爾國家森林中的蔓延面積已達965公頃。至于植物，今天的最大個兒是“謝爾曼將軍”，它是美國加州紅杉國家公園里的一棵巨型紅杉，樹干體積達1500立方米左右?，F(xiàn)存的最高樹木也發(fā)現(xiàn)于美國加州，這種海岸紅杉高達115米，簡直不負它的名字“許珀里翁”，這一稱號源自一個巨神之名。只有一棵樹超過這個高度，它就是在澳大利亞維多利亞地區(qū)波波山發(fā)現(xiàn)的一棵已被砍倒的桉樹，其高度達到143米。計算結果暗示，這已接近樹高的理論最大值，一旦超過這個極限，頂部樹葉就難以通過毛細管作用從根部吸收水分。最小問生命究竟可以小到什么地步，基本上就是問生命的定義是什么。病毒被普遍認為是可以自我復制的最小生命，一些病毒的直徑只有20納米(1納米等于100萬分之一毫米)。但是作為細胞內的寄生蟲，病毒對其他生命形式的依賴度很高，因此病毒通常又不被視為真正的生命。已知最小的細菌，是2006年發(fā)現(xiàn)于美國加州北部熾熱含砷礦坑污水中的“太古里士滿礦嗜酸納米微生物”(簡稱ARMAN)，其長度只有200納米，是大腸桿菌的13，與一個大病毒的大小相當。它們的微型基因組2010年被定序，只包含大約100萬個堿基對。要知道，人類基因組含有30億個堿基對。有科學家認為“最小”這個榮譽應該給予納米細菌，這些渺小的卵形結構發(fā)現(xiàn)于人的血液和唾液中，直徑只有50100納米，外形像細胞，看起來也能像細胞一樣分裂。但是，科學家至今未從它們身上分離出生命必需的基因材料。2008年的一項研究指出，納米細菌只不過是碳酸鈣微粒。由于基因材料為生命所必需，所以另一種探索最小生命的方式就是辨識最小的基因組。首選對象是導致人體泌尿道感染的一種寄生菌生殖支原體，其基因組只有58萬個堿基對，遺傳豐余(指一種特定生化功能被兩個或更多基因重復編碼的情況)也很少：在482個為蛋白質編碼的基因中，382個都被證實為生命所必需。這讓它可能很接近最小的可行基因組。2008年，它成為首個計劃被人工定序的基因組。生物體可以有更小的基因組，但代價是這樣，來它們就可能不再具備一種獨立生命形式的資格。例如，木虱(一種吸食樹液的昆蟲)體內生活著一種共生菌，它為木虱提供必需的氨基酸。它只有182個基因，而且非常依賴木虱細胞，甚至可能已進化成為一種細胞器細胞的一個基本單元。這讓人聯(lián)想到早期細胞“兼并”細菌的方式，細菌被兼并后變成線粒體和葉綠體，分別擔當釋放能量和進行光合作用的職責。最長壽在地球上的所有限制中，有一種是任何生物都無法逃避的，那就是死亡。然而，一些生物在盡量改變死亡命運方面還是超出了其他生物。由于至今未能透徹理解的原因，動物很少能活到100歲。但凡事都有例外，在這方面也有一些例外。已知活得最久的動物是在冰島沿岸海域捕撈到的一個海蛤，據(jù)估計它已經活了大約400年甚至更久?？茖W家至今不清楚這些蛤為什么會比其他動物長命得多，已經知道的是，在它們生命中的某個時點，它們的死亡率實際上會降低，因此不知道它們是否會經歷與我們所理解的一樣的衰老過程。植物繞過衰老問題的方式是允許自身最古老部分的細胞死亡，同時繼續(xù)產生新的部分。這方面最極端的例子是所謂的克隆樹，這些樹木通過在大片區(qū)域內發(fā)出基因完全相同、共享相同根系的新集群來復制自己。美國猶他州的一株克隆顫楊可能是這方面的最長壽的代表。雖然它的現(xiàn)有部分看來不超過130歲，其部分根的年齡卻被測定為80000歲左右。有記錄的最長壽樹是一棵被命名為“普羅米修斯”的狐尾松，它于1964年被砍伐時的年齡約為500