安吉拉·奥利维里奥(Angela Oliverio)是锡拉丘兹大学(Syracuse University)的微生物学家,她的研究领域处于科学探索的前沿。
“我对生命在极端条件下的表现充满好奇心,渴望了解生命的极限与边界,以及真正限制我们探索能力的因素,”她说。这种探索精神与那些将自身能力推向人类极限的顶尖运动员颇为相似;只不过她的研究对象是微观世界的生物。
奥利维里奥专门研究被称为“极端微生物”(extremophiles)的生物——这类微生物能够在极其恶劣的环境中生存,比如高温环境中。目前已知的极端微生物主要包括细菌和古菌(Archaea)两类;其中某些物种甚至能在212华氏度(水的沸点)以上生存。
然而,奥利维里奥实验室的博士生贝丽尔·拉帕波特(Beryl Rappaport)指出:到目前为止,关于真核生物(eukaryotes)的耐热能力的研究还相对较少。真核生物包括人类、单细胞变形虫等多种生物,它们的细胞结构更为复杂,含有细胞核等结构。
拉帕波特认为,这可能是因为科学家们尚未发现合适的真核生物样本;许多真核生物物种尚未被详细研究,因此我们还有很多需要了解的地方。最近,她和她的同事们发现了一种新的极端微生物——他们将其命名为“火变形虫”(fire amoeba),这种微生物将真核生物的耐热极限提升了大约5度。这一研究成果发表在《细胞》(Cell)杂志上。
虽然这一进步看似微不足道,但奥利维里奥将其比作跑步运动员突破4分钟跑完一英里的极限:这一成就曾被认为不可能实现,但一旦有运动员做到了,很快就有其他人也能做到。
“真正重要的不是进步的幅度,而是证明了这种事情是可能的,”她说。
为了做出这一发现,研究人员及其同事在加利福尼亚州北部的拉森火山国家公园进行了一次“探索之旅”。“这是美国游客最少的国家公园之一,”奥利维里奥说。
“那里美极了,”拉帕波特补充道,“到处都是高山,松树遍布,还有许多蝴蝶在飞舞。不过过去十年里那里发生过几次严重的火灾,因此许多植被都重新生长了;同时,那里也出现了许多热液喷口。”其中一个热液喷口位于一条名为‘Hot Springs Creek’的小溪中,“由于周围长满了高草,你几乎会忽略它的存在,”拉帕波特解释道。
研究团队使用特制的烧烤夹子采集了水样;这些夹子用于固定装满水样的试管,然后他们将这些试管浸入热液中。
回到实验室后,拉帕波特将水样放在显微镜下观察,并加快了观察速度——这时她发现了一些奇怪的现象:那些水样中的生物似乎在不断伸缩、改变形状,仿佛在“进行一种单细胞版本的‘热瑜伽’!”
“那肯定是一种变形虫,”她当时想,“这种运动方式正是变形虫的典型特征。”
令人惊讶的是,这种变形虫能够在高达145华氏度(约63摄氏度)的温度下正常生存;它甚至能在147华氏度(约64摄氏度)的环境中继续活动,并在高达158华氏度(约70摄氏度)的水中保持生存能力。当研究人员分析其基因组时,他们意识到自己发现了一个全新的物种。
他们将这种变形虫命名为“Incendiamoeba cascadensis”,意为“喀斯喀特山脉的‘火变形虫’。”
接下来的研究重点是:这种极端环境下的生物是如何在如此高的温度下生存的?
通过对比这种变形虫的基因组与其他变形虫的基因组,研究人员发现:它拥有特殊的机制,能够确保自身的蛋白质和细胞膜在高温下保持稳定。
这一发现或许可以拓展我们对生命存在的探索范围。“我们不仅要思考生命的极限以及在这里可能实现什么,还要思考在其他地方是否也有同样的可能性,”奥利维里奥说道。
此外,她认为这种变形虫对温度的耐受性或许能为培育耐热作物或开发在更宽温度范围内都能保持稳定性的药物提供线索。
“根据我的经验,找到一种真正奇特的外来生物并将其转化为对其他物种产生重大影响的物种是非常困难的,”罗格斯大学的进化生物学家德巴希什·巴塔查里亚(Debashish Bhattacharya)说。他并未参与这项研究。“不过,肯定存在发现某些令人惊叹的生物的潜力,”他补充道。
巴塔查里亚指出,在其他极端环境下的微生物中,它们的基因组已经变得越来越紧凑。“这种现象被称为‘基因组简化’,”他说,“这使得它们能够与基因组更小的细菌竞争,并在恶劣的环境中生存下来。”然而,这种火形变形虫的基因组却比它的同类要大得多。“它走了一条不同的进化路径,”巴塔查里亚说,“因此我认为这一点非常有趣。”奥利维里奥也认为这一点非常有趣。她认为,既然这种火形变形虫已经被记录在案,那么这仅仅只是一个开始;她希望更多的科学家会开始寻找其他具有这种极端能力的复杂生物。“也许生命存在的最高温度记录很快就会被再次打破,”她说。