文摘
你知道地球上有很多地方,一年到头都被冻结?你能想象你的整个生活在冰雪的严寒吗?不仅可以一些微小的微生物舒舒服服地住在寒冷的,但许多种类的细菌称这种严酷的地方回家!就像一只北极熊需要生存在寒冷的厚外套,这些细菌有自己的恶劣的环境让自己舒服的方式。科学家们发现,这些细菌可以教会我们很多关于生活在我们的太阳系在许多行业,他们非常有用。
生存在地球上最冷的地方
你知道吗,我们的地球很冰冻的星球?事实上,大约一半的地球陆地环境是季节性或长期覆盖着雪或冰!呵!从北极到南极,从山顶上的冰帽到冰山漂浮在海面上,到处都是冷的栖息地,它们构成了地球的一部分称为冻结冰冻圈(图1)[1]。
- 图1——各种形式的雪和冰组成地球冰冻圈(图创建BioRender.com)。
温度方面扮演着重要的角色在决定生物能否生存。极冷的温度下的冰冻圈使它特别具有挑战性微生物才能生存。在寒冷的环境中,很难找到水,这是生命的必需品,因为大部分的水变成固体冰。大多数生物(人类除外)没有在这么冷的地方融化冰的方法。生物也难以找到食物和冰冻圈产生能量,因为维持生物生存发生的化学反应更慢在寒冷的(1,2]。但是,与北极熊和鲸鱼,微生物是最小的生物,只能透过microscope-do没有一层厚厚的毛皮或脂肪来保暖。考虑到这些挑战,看起来几乎不可能,微生物可以在冰冻的环境中生存。
细菌生活在冰上
冰冻的环境曾经认为是无生命的。科学家最初认为冷冻环境中的微生物是由风和有“睡着”由于寒冷。然而,他们后来发现永久冻结环境包含很多微生物生活!这些微生物被发现以特殊的方式适应了(在很长一段时间)在冰雪中生存。这些微生物被称为它们有着在希腊语,意思是“嗜冷”。它们有着但还可以包括其他微生物(主要是细菌1]。
微生物无法生存在固体冰。到目前为止,它们的所有社区中找到冰,从冰原的冰川,生存在非常小的静脉液体水困在冰形式(时图2)。这意味着这些它们必须有来自周围的环境,如空气、雪或海洋的表面(在海冰的情况下)和被困在冰静脉。
- 图2——它们在冰静脉。
- (一)在海冰冰静脉充满盐水和被称为盐水静脉。(B)在冰川冰,冰静脉要小得多,因此通常包含更小的它们。
冰静脉在不同冻结栖息地为它们创建不同的环境。让我们看两个例子:海冰和冰川冰。海冰是冷冻海水漂浮在海面上,生长在冬季和夏季收缩。不冻条件下,海水中含有水,溶解盐,营养,和无数微小的微生物。当海水冻结时,只有水可以形成冰晶,而溶解盐、微生物和少量的水排除这些晶体。这些当时被困在微小的液体通道盐水静脉非常咸,因此很难生活在。在寒冷的冬季,困它们可以生存在这些小盐水静脉(图2一个)。夏天冰融化时,它们必须回到海洋,这意味着他们必须能够适应不断变化的环境(3]。这是艰苦的工作!
相比之下,冰川的尸体冷冻淡水形成于雪的积累,随着时间的推移,被压缩成冰。所有的重量,重积累的冰雪压在下层的冰川,导致任何冰静脉中形成这些层非常小(图2 b)。这意味着细菌生存在冰川冰静脉通常很小,他们要在那里呆很长时间,甚至几百万年。到目前为止,科学家们已经发现了证据,证明细菌DNA的500000岁高龄的冰,但我们仍在学习关于这些细菌和细菌仍不确定多久能活着在冰1,3]。
它们是如何保护自己免受寒冷吗?
就像穿上了厚厚的冬衣或用力摩擦双手让自己温暖的一个冬天的夜晚,好寒性的朋友也有办法生存在寒冷的条件(图3)[4]。最基本的挑战之一,生活在寒冷的就是任何事情都需要更多的时间,包括营养运动和重要的化学反应(要理解这一点,试着把冷水袋泡茶,而另一个在热的水会看到茶冷水利差更慢。)。因此,要从周围的水得到足够的食物,它们有着许多转运蛋白在细胞表面的数量增加,积极从周围环境获取营养。
- 图3——它们有着独特的特性帮助他们生活在极端寒冷的环境。
- (一)它们有营养转运蛋白,帮助他们获取营养物质从寒冷的环境中,事情慢慢移动。(B)它们有着cold-active酶,在细胞内可以做他们的工作在低温下。(C)它们有着抗冻蛋白,防止冰晶形成和破坏细胞。
另一个问题与这个冰冻的环境是冰的形成。就像人体的70%是由水组成的,大多数细菌细胞也装满了水,这可以很容易地变成冰晶在冻结温度下。活细胞内的冰晶是危险的,因为他们像小刺向外生长,最终穿刺细菌由内而外,杀害他们。因此,它们进化出多种策略来避免这种可怕的命运。例如,他们在溶解的盐分和糖分降低水的冰点内部本身。一些物种也有特殊的抗冻蛋白,附加到任何形成冰晶,降低冰点,防止其增长。这些策略减少生活在寒冷的危险。
它们也有酶不同于non-psychrophile细菌。细胞内酶的工厂工人。每种类型的酶进行一个重要的化学反应,维持细菌生命和快乐。酶只有最好的工作在一个小范围内的温度称为最适温度。例如,真让人恶心的细菌酶的最适温度为37°C,这是一样的人体温度。这使得这些细菌在人体生长并引起疾病。然而,如果这些致病细菌暴露在寒冷天气中,他们的酶失去活性,使它们“入睡。“这不是它们。保持在冻结温度下它们活着,酶cold-active酶进化而来的,有一个最适温度为20°C或更少(5]!现在这是一个很酷的为了生存!
它们有着学习为什么重要?
冷栖息地地球上非常危险的全球变暖。科学家需要迅速找出它们在环境的重要功能,估计造成的破坏,全球变暖将对冰冻圈。此外,寒冷的环境中是非常普遍的在太阳系其他行星,和地球上的许多科学家研究冷环境线索是否生命可能存在于其他行星3]。
许多科学家也不断增长知识,它们使用在新技术(5]。Cold-active酶,例如,已经被用于提高工业过程的有效性,如水果加工,发生在低温下(这水果不破坏)。科学家们还发现了许多在它们有着活跃的化学物质,帮助他们应对寒冷。我们可以利用这些化学物质在药物治疗感染,甚至癌症。此外,与它们有着适应生存在严酷的环境下较差的营养,他们可以打破任何获得。这意味着它们可能非常有用的分解塑料和治疗浪费。它们是有用的,因为他们是不同的!
术语表
冰冻圈:↑地球上的地方水冻结为冰或雪。
微生物:↑生物非常小,只能在显微镜下看到。微生物细菌、藻类、原生动物以及病毒。
它们有着:↑特别是细菌微生物,已经适应了在寒冷的环境中生活。这个词来源于希腊语“psychros”意思是“冷和冷冻”和“友爱”的意思是“爱”。
盐水静脉:↑很小的海冰晶体之间的通道,里面有非常咸的水,含盐时没有把冰晶形成。
酶:↑细胞的工人;蛋白质,帮助化学反应发生。
最适温度:↑温度酶进行化学反应速度最快的。
Cold-Active酶:↑酶,工作温度的最快20°C (68°F)或以下。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑Miteva, v . 2008。“积雪和冰川冰的细菌”它们有着:从生物多样性及生物技术等、eds r . Margesin f . Schinner J.-C。马克思,和c Gerday(柏林,海德堡:激飞柏林海德堡)31-50页。
[2]↑Margesin, R。,and Miteva, V. 2011. Diversity and ecology of psychrophilic microorganisms.Microbiol >,(2011)162:346 - 61。doi: 10.1016 / j.resmic.2010.12.004
[3]↑Junge, K。,Christner, B., and Staley, J. T. 2011. ”Diversity of psychrophilic bacteria from sea ice - and glacial ice communities,” in极端微生物手册埃德•k Horikoshi(日本东京:Springer)。p . 793 - 815。
[4]↑De Maayer P。,Anderson, D., Cary, C., and Cowan, D. A. 2014. Some like it cold: understanding the survival strategies of psychrophiles.EMBO代表。15:508-17。doi: 10.1002 / embr.201338170
[5]↑圣地亚哥,M。,Ramírez-Sarmiento, C. A., Zamora, R. A., and Parra, L. P. 2016. Discovery, molecular mechanisms, and industrial applications of cold-active enzymes.前面。Microbiol。7:1408。doi: 10.3389 / fmicb.2016.01408