第一节 生命极端环境下的量子特征

被封存亿万年的生命意识

大自然总是呈现出奇特的一面。目前地球上最大的植物应是美国加利福尼亚红杉国家公园中一棵绰号“谢尔曼将军”的巨大美洲杉，它的树干体积约有1500立方米。地球上最高的树同样生长在美国加利福尼亚州，这棵绰号“亥伯龙神”的红杉高达115米，此前地球上只有另一棵已经倒掉的桉树的高度曾经超过它。那棵名叫“罗宾逊”的桉树曾经长在澳大利亚维多利亚省的波波山，它在1889年被人发现时，高度达到143米。专家相信，从理论上说这几乎是一棵树木能够长到的极限高度，因为再高的话，高处的树叶就很难通过毛细管作用从根部往上吸水。

寿命似乎是生命的一种追求，尤其对人来说，但是聪明的人类似乎总是在某一方面斗不过一些生物的。地球最大的有机生物体是美国俄勒冈州马胡尔国家公园中一种绰号“巨型蘑菇”的蜜环菌，这个学名为奥氏蜜环菌的巨型真菌是在1998年被发现的，它占地965公顷，至少相当于1350个标准足球场。科学家猜测，它的实际年龄可能高达8650岁，所以它也可能是地球上最老的生物之一。地球上最老的树是一棵绰号“普罗米修斯”的美国狐尾松，它在1964年倒下前，估计已有5000岁。

乌龟的寿命可以达到几百年，弓头鲸能存活几个世纪，2007年一些阿拉斯加渔民杀死了一只鲸鱼，在它体内惊奇的发现了另一个年代的手工制品。这只鲸鱼至少生活了117年。龙虾不会变老，只会变大，根据《吉尼斯世界纪录》记载，人们在1977年曾经捕获一只19.95公斤的龙虾，1926年在缅因州曾经捕获一只23.36公斤的龙虾，人们不知道这些龙虾真正的寿命是多少。

与龙虾一样，蛤蚌寿命非常长，年龄越大，体现就越大。它们惊人的长寿与“缓慢的细胞复制过程”有关，这些蛤蚌一旦到性成熟期，它们体内的酶就会在大约150年内保持稳定。

硅质海绵拥有僵硬的骨骼，这些生物估计能够存活长达1.5万年，这就使它们成为地球上最古老的活体动物。

说到生命的寿命能保持多久的问题，2013年5月，来自阿尔伯塔大学Catherine La Farge博士等，在加拿大北极高地的泪滴冰川附近探索时获得了样本。400年前的苔藓植物样本已经在实验室条件下开始“复活”，揭示了生态系统如何从长期的冰川覆盖中恢复过来。

2012年2月，俄罗斯考古学家在西伯利亚科雷马河的永冻层发现了冰冻了30000年的种子，科学家竟然把它复活了。俄细胞生物物理研究院的团队用这枚种子种出了一棵水果树苗，创下复活最古老植物种子的纪录。

一开始科学家将其中一颗种子带回实验室，企图让它发芽，结果失败了，后来科学家利用水果中一种“胎盘组织”成份，在培养皿中成功令这枚已经封冻了30000年的种子复活。英国千年种子银行的专家说，这是验证高等植物生命“韧性”之强最“极端”的例子。

对于细菌来说，似乎在生命耐力方面总是比植物能获得更长的寿命，比如科学家在美国加利福尼亚州沙漠死亡谷地下盐晶体中微小的液体腔里，发现34000年前仍然存活的远古细菌。负责该研究的美国夏威夷大学副教授布赖恩·舒伯特（Brian Schubert）说：“这是一项令人非常惊讶的重大发现！它们仍存活着，但它们已不使用任何能量游动，不具有繁殖生育能力。它们除了维持生存之外再不做任何事情。”他指出，这种细菌将收缩变小，并处于冬眠状态。它们之所以能够在34000万年中存活下来是由于它们依赖于一种水藻提供食物。纽约宾汉姆顿大学地质系蒂姆·洛文斯廷（Tim Lowenstein）教授称，这项研究表明此类现象也存在于现代盐湖，这些细菌永久性地密封在盐晶体中，就像被保存在时间舱里。

图012 冰川下400年前的苔藓植物已经在实验室中重新开始生长

图013 俄罗斯科学家复活三万年前种子

图014 西伯利亚细菌

图015 长寿古菌呈现假死状态

据英国《新科学家》文章研究，一个有哥本哈根大学教授埃斯科·韦勒斯利领导的小组，在俄罗斯西伯利亚地区永久冻结带的一个地下10米深冰芯中，发现了一种含有活性DNA的古老细菌，DNA分析结果显示它们的年龄在40万岁到60万岁之间。

科学家早就知道，随着时间的流逝，所有的活细胞最终都会消亡，DNA也会碎成片段。但是研究人员所收集到的一些细胞DNA却能在很长时间内保持完好，证明这些细胞能更好地延迟老化和死亡过程，甚至有些有机体还具有再生能力，可以修复损伤的细胞。

大多数科学家认为除了地球，太阳系的其他行星没有生命存在，但是这次发现的微生物却能在如此恶劣的环境下存活如此长的时间，而火星上温度更低、更稳定，因此这类生命可能更适合在火星上存活。

另一些研究人员在美国加利福尼亚死亡谷地底下发现了一种远古细菌，它们在过去34000年中仅仅以藻类的几个细胞为生。这种细菌非常微小，长度大约只有1微米，呈现假死状态，除了吸吮藻类的营养外，它们几乎停止了所有的活动。它们靠吸吮藻类的营养来修复自己慢慢损坏的DNA。一个小小的藻类细胞就足够维持古菌生存长达1200万年。

早在20世纪90年代，人们便已经知道，某些微生物可以在海底沉积物中存活数百万年，该取样地点都位于北太平洋环流覆盖下方洋底以下数十米深处的淤泥沉积物中。

2012年5月，丹麦奥胡斯大学的汉斯·罗伊领导的小组发现了深埋在海底下长达8600万年之久的一个细菌菌落仍然存活着。由于这些微生物生存的环境极端贫瘠，其繁殖也相应地变得极端缓慢，这和其他种类的细菌DNA非常不同，很多细菌体在短短几天之内就能从一个分裂成数百万个，但是这些细菌大约每数百年至数千年才繁殖一次。

Bdelloids是一种生活在淡水中的微生物，离开水也能存活几年时间，它们8000万年都不会进行交配。许多科学家都认为一个物种通过无性繁殖无法存活很长时间，科学家们发现它们是一种“遗传嵌合体”，一只Bdelloids就拥有500多个不同物种的DNA。很显然，它们从周围找到外来的DNA并且连接到它们自己的DNA上。

研究人员培养激活了4千万年前密闭在琥珀中蜜蜂体内的细菌后，又有人在2.5亿年前的结晶盐中找到了处于假死状态的细菌。而美国佐治亚理工学院实验室在一项实验中成功复活5亿年前“细菌”。研究人员将5亿年前细菌基因注入现代大肠杆菌中，这种“弗兰肯斯坦”类型基因能够顽强地存活下来，目前该嵌合体大肠杆菌现已繁衍了1000多代。

科学家希望发现这种“远古”细菌是否能够延续古老基因方式进化，或者出现新的生物体进化方式。美国宇航局天体生物学博士后贝图尔·卡卡尔（Betul Kacar）说：“这非常像倒回和重播生命分子录音带，实验中的新型嵌合体细胞能够快速突变，一些细菌比现代基因更加强壮和健康。”基于这种现代细胞体可以从现代生物体中观察远古基因，从而让我们分析远古进化轨迹是否能够重复进行，或者生命体是否能够适应不同的进化路径。卡卡尔说：“这种已改变的生物体并不是完全健康体，或者适应于现代进化方式，至少在研究初期是这样的。这种发生基因改变的生物体在未来的突变进化中将逐渐适应环境。到目前为止这些远古基因尚未进化突变，而是这种嵌合体细菌发现一种新的进化轨迹来增强适应性。

长生不老是自古以来人们的梦想，但在海洋中的灯塔水母却实现了这种愿望，具有“返老还童”的能力，可以说掌握着永生不死的奥秘。

灯塔水母长约4~5毫米。通常情况下，水母繁殖完下一代后就会死亡，但灯塔水母性成熟之后却可以“返老还童”，重新回到幼虫状态，然后继续成长，开始另一次生命历程。从理论上来说，灯塔水母可以无限制地进行这种“返老还童”的循环周期，从而达到永生不死的状态。

极端冷热下的生命

北极生活着能抵御寒冷的北极熊，他们会在冬天冬眠来抵御过度的寒冷。很多生物会选择利用低温冬眠来减少能量的消耗，用延迟生活节奏的方法抵御寒冬，根据最新研究，人似乎也存在这种冬眠机制。加拿大埃尔斯米尔岛的灯蛾毛虫堪称是地球上最极端的耐寒动物之一，能在-70℃的低温状态下冬眠，即使它们的血液和任何其他细胞外液体都处于结冰状态，仍能存活下来。灯蛾毛虫能够产生抗冻剂来保护身体最重要的部分，在极寒的环境中，它们可以任由自身细胞的细胞浆结成冰，但却能让细胞核和其他细胞器官处于非结冰状态。

南极有着极端的天气，只有冬夏两个季节，内陆冬天最冷的时候可达-70℃。美国宇航局研究小组，在黑暗冰冻的南极200多米冰层下放置摄像机，首次发现一种类似虾的生物在水中游动，同时还发现0.3米长、带有触须的水母物种，这是一种类似虾的片脚类动物。

这些生物不是从某远处海域游过来的，因为他们距离开放海域至少19.4公里。目前，科学家置疑，类似复杂的片脚类动物是否能够像一些细菌能够在海洋中以化学物质为食。

南极“泰勒冰川”与海洋隔离150万年以上，在冰盖下400米封闭着一个超级盐湖，含盐量是海水的数倍，在没有氧气与阳光的冰川湖泊下竟然发现有奇特的微生物群落。在夏季，温度升高后，融化的水流使冰川内部露出红色，这些深红色海水由于富含铁元素而形成，该现象被称为“血瀑”。

科举家发现在冰川之下近0.5千米生活着微生物与细菌，由于冰川封闭，没有阳光射入，细菌不是依赖阳光生活，而是依靠硫磺代谢反应获得能量。细菌利用硫磺化合物作为化学催化剂导致封闭冰川湖泊中的有机化合物的能量电子释放，使围绕湖泊周围基岩中的铁元素沥滤出来。研究人员认为这些微生物进化演变懂得使用硫酸盐“呼吸”水中含铁物质，它们以水中非常少数量的有机物质为食。说到以铁为生的细菌，研究者在泰坦尼克号锈迹斑斑的残骸上发现了食锈菌的踪迹，这些食锈菌会黏附在钢铁和锈斑表面，借助其他微生物的帮助，吞噬沉船的金属。如果一直腐蚀下去，这些细菌会将泰坦尼克号吞噬得一干二净。研究者认为，这些细菌可以用来解释为什么其他一些海底沉船会被分解。

在另一例子中，在南极冰盖以下约20米深处的一个叫维达湖（Lake Vida）盐水湖中，科学家发现湖中的微生物生命与外部世界隔绝了近3000年。维达湖没有阳光、缺乏氧气，高盐的湖水呈弱酸性，温度约为-13℃。碳定年法表明，这一不适合生命生存的盐水湖已经存在了超过2800年。此研究发表于《美国科学院院刊》上。美国伊利诺伊大学地球与环境科学系教授彼得·T.多伦（Peter T Doran）说“这一发现扩展了生命的极限条件，湖水本身的低温、高盐条件就已经是很大的限制，考虑到没有太阳能和其他大气物质的输入，湖中环境对生命来说极其艰难。”

早在2002年，对维达湖盐水的研究已经发现了古老微生物的存在，然而奇怪的是这些盐水需要在温度升高之后才会出现生命活动的迹象。最近的研究发现，维达湖中存在着以细菌占主导的、多样化且代谢活跃的生态系统。维达湖位于南极洲的边缘，为了研究湖中的生命，研究团队采集了冰芯中的盐水样品，结果发现，化合物和氧化物的含量很低，氢分子的含量则较高。地球化学分析表明，盐水和底质之间的化学反应会产生一氧化二氮和氢分子，氢分子可能为微生物提供了必需的能量。

“泰勒冰川”下盐水湖与维达湖中的生态系统不仅为冰冷极地的生态学提供了有价值的信息，而且提示着在地球大气层外的其他星球冰冷环境中，也可能存在着类似的生命。

这些研究表明这种极端恶劣的环境并非之前所认为的没有阳光和营养物质，就无法孕育生命体的说法，而事实证明一些生命依靠铁，氢中的能量，做出了生命的循环与繁殖。这说明实际上这里仍存在着复杂的生命结构。我们要问那么冰冻的木卫一表面之下是否也能存在生命？

在6~8亿年前，地球上几乎到处都是冰雪覆盖，这一时期被称为“雪球地球”。当时的环境与以上的冰川湖泊形成的条件十分类似。被困在冰川之下的湖泊环境中长达数百万年。这项发现具有重要意义，在地球之外的其他星体上也存在着类似的环境，目前科学家知道南极冰川密闭的湖泊中可孕育生存着微生物，那么可以进一步推测类似这样的生命体也可能存活于其他星球极端的生存环境，也就是说某些星球上即使没有氧气和光线，也可能孕育奇特的生命形式。

2013年5月，科学家在加拿大北极地区永久冻土地带发现一种细菌，尽管温度仅有-15℃，但能保持兴旺生长。奇特的细菌对于理解火星或者土卫二可能存在的生命提供重要线索。研究负责人加拿大麦吉尔大学的莱尔·怀特和研究小组发现，这种细菌能够适应寒冷和盐水环境，这是由于它们的细胞结构、适应寒冷的蛋白质，类似防冻剂的高含量化合物。怀特指出，我们从该细菌特征洞悉太阳系其他星球也可能存在的类似微生物。这种细菌生活在盐水纹理之中，它们之所以能够幸存下来是由于盐阻止纹理中的水结冻，并且它们在-25℃的永久冻土地。

永久冻土地带生活照嗜冷微生物，一些顽强的微生物生存在西伯利亚和南极洲的冰层之下，这里的温度在-20℃~-5℃之间。智利南极科考队近日宣布，他们发现了一批生存在极端环境下的微生物，超过300种，约70%属于新种类，包括许多嗜冷菌、嗜盐菌、嗜酸菌和嗜碱菌。嗜冷菌的最佳生长环境在-15℃以下，嗜盐菌最适合生长在高浓度盐水中，嗜酸菌和嗜碱菌则适应于极端的PH值环境。

除此之外，他们还发现了大量嗜热菌和超嗜热菌，尽管这些微生物终其一生都生活在冰层里，但它们却更喜欢在50℃以上的环境中生存，其中一种微生物甚至在95℃时仍能生存。另一项重大成果是发现了奇异球菌，它们可能是世界上最强悍的细菌。这种奇异球菌生活在15米深的极地永久冻土下，能够承受的γ射线强度比已知其他任何细菌高5000倍。这种超强抵抗力从何而来还是个谜，甚至有人推测它们来自太空。对此科学家布莱梅表示，它们超强抵抗能力的分子机制是什么以及这种机制能在哪些方面得到应用，表明这种极端恶劣的环境并非之前所认为的没有阳光和营养物质，就无法孕育生命体，但实际上这里仍存在着复杂的生命结构。

一项实验显示，微生物“Strain121”在实验室中被加热到121℃时仍能照样生存，即使在130℃的环境中，这种微生物仍能维持生命，只不过无法复制繁衍。

图022 蠕虫在80℃高温下生存

图023

科学曾经发现，细胞内带有一个细胞核的真核生物，没有一种能够在60℃的高温中幸运存活，除了一种生活在海底热液喷口附近的蠕虫外，这种蠕虫的尾巴通常会粘附在80℃高温的热液喷口岩壁上。

开曼群岛海底，数千只新种虾环绕在间歇泉四周，栖息地温度超过450℃。

英国科学家发现一种新的深海虾种群，栖息地深度超过此前最极端的深海火山喷口地区发现的其他任何虾种群。这种虾生活在加勒比海海底的沸腾热泉，水温可能超过450℃。

耐旱、耐盐的生命体

一种被称作水熊虫的小型无脊椎动物堪称是地球上生命力最顽强的动物了。研究显示，水熊虫在没水喝的情况下可以通过这种“特殊手段”存活120年。

如图024中的金属盐样品是美国威斯康辛大学史蒂芬角分校的化学家迈克尔·扎克在一次前往位于加利福尼亚死亡峡谷国家公园的旅行中收集的。

当他把水加到这些样品中时，休眠于此的微生物们苏醒过来，在背景中纷纷蠕动，当水分蒸发完毕后，扎克拍摄了这张照片，捕捉到了光线在新生成晶体上的反射。这种微生物分泌一种化学物质，能够阻止金属盐晶体的形成，从而保证自己在高盐、酸性环境的生存。

西班牙和智利的研究人员在智利阿塔卡马沙漠地下两米的疏水基底发现一个“微生物的绿洲”。

图024 微生物与矿物质：沙漠里的生死较量

图025 生长在智利阿塔卡马沙漠地下两米疏水基底的微生物

该团队科学家在这个沙漠下的“绿洲”发现了栖息的细菌和古生菌（原始微生物），西班牙天体生物学中心研究员维克托解释说，微生物得以栖息是因为这里蕴含可吸附水分的岩盐和其他高吸湿化合物，如硬石膏和高氯酸盐。此外，基底下的微生物易潮解，这意味着它们可以吸收有限空气中的水分，凝结于盐晶体表面，从而形成了几微米厚的薄膜。这些物种与其他类似的在多盐环境下生长的种类没有什么不同，只是奇特的是，它们竟被发现在没有任何氧气或阳光的地下2米至3米深处生存。维克托强调，如果火星上有类似的微生物或有相似的环境，在这个红色星球上已发现含盐水的沉积物，因此其底土有可能存在多盐的环境。而这种高浓度的盐具有双重作用，既可吸收晶体的水，又可降低冰点，使其能够在零下几摄氏度到20摄氏度形成薄盐膜。

死海是一个以高盐度著称的内陆海，很多生物无法生存。最新一项研究显示，死海并非死亡之海，在贫瘠底部存在着数十个喷涌新鲜水的凹坑，这里涌现出新的生命形式，德国马克斯-普朗克协会海洋微生物学家丹尼·约内斯库（Danny Ionescu）是研究小组成员之一，他说：“2010年，首支死海潜水勘测队发现死海湖底凹坑涌泉是‘奇特的生命热点’，这些湖底凹坑覆盖着薄膜，有时令人吃惊地聚集着新细菌物种。”这些体积微小的细菌群体聚集在水下涌泉的新鲜水流附近，此前研究人员曾误将涌出的新鲜水流当成死海表面奇特的涟漪。湖泊的高含盐性意味着像鱼类和青蛙等大型生物无法幸存于死海，但是高浓度镁的存在性使得死海存在着大量的微生物。2010年死海水下勘测绘制出湖底凹坑大约有30个，这种地质结构并不存在于地球其他区域，死海凹坑收集样本的初步分析显示涌泉中的细菌群体存在较大的多样性，涌泉顶部的岩石覆盖着绿色生物膜，它可同时与阳光和硫化物发生反应，除此之外吞食硫化物的细菌覆盖在岩石底部。

在阿根廷加兰火山口的狄亚曼特湖研究人员在缺氧的湖水中发现数百万只活跃的超级细菌。狄亚曼特湖含有大量的砷，是安全用水的2万倍，咸度是普通海水的5倍，碱度非常高，水温常常处于摄氏零度以下，不会结冰。细菌的DNA已经变异，可以承受高海拔稀薄的氧气及高紫外线辐射。该情况透露了外星生命的可能性，这群细菌的栖息环境类似远古时代的地球，当时能呼吸的生物尚未得到地球大气层包覆的保护。从理论上来说，如果这些细菌可以在这种环境中存活，那么它们也可以在类似火星的环境中生存。 2f1wvoKTSQR9ctQIKmqtH0xX/yP6mp41CjCsgTy/TApjqnFvBthBxx4wb9+k4U0C