海底熱液噴口、鹽湖、酸堿泉、深�！谶@些本不應(yīng)該存在生命的環(huán)境中，科學(xué)家們找到了微生物，并將它們統(tǒng)稱為“極端微生物”。美國(guó)科學(xué)家認(rèn)為，對(duì)極端微生物的研究或許是尋找外星人的關(guān)鍵——宇宙中的生命形式可能是多樣化的，或許就可能在耐酸、較高溫度環(huán)境中生存。美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心的科學(xué)家正在試圖通過(guò)基因工程可“創(chuàng)造”出適應(yīng)極端環(huán)境的微生物。我國(guó)科學(xué)家也在研究極端微生物，他們認(rèn)為，極端微生物的生命策略和適應(yīng)環(huán)境的多樣性或許早已解決了科學(xué)家今天仍在尋找答案的那些問(wèn)題。

　　地球生命形式的獨(dú)特風(fēng)景線

　　極端微生物是指能夠在如高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高毒、高滲、高壓、干旱或高輻射強(qiáng)度等極端環(huán)境中正常生長(zhǎng)繁殖的微生物，而這些極端環(huán)境對(duì)普通生物（包括人類）而言是不可耐受的，一度被認(rèn)為是生命禁區(qū)。

　　但其實(shí)，從生命現(xiàn)象發(fā)生以來(lái)，極端微生物在地球生物圈中業(yè)已存在，只是由于生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的局限，直到19世紀(jì)末人們才逐漸在生活和生產(chǎn)實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到這一大類特殊生命群體。從接近沸點(diǎn)的溫泉和海底火山口、寒冷的南北極區(qū)、鹽湖和酸堿泉到高寒及高壓的深海環(huán)境等，無(wú)處不活躍著極端微生物的身影。

　　極端微生物根據(jù)生存環(huán)境不同可分為嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜鹽、嗜壓以及抗輻射、耐干燥、抗高濃度金屬離子和極端厭氧的微生物等類群，它們構(gòu)成了地球生命形式的獨(dú)特風(fēng)景線，它們?cè)诩?xì)胞構(gòu)造、生命活動(dòng)和種系進(jìn)化上的突出特性，以及存在的原理與意義，為更好地認(rèn)知生命現(xiàn)象、發(fā)展生物技術(shù)提供了寶貴的知識(shí)源泉。

　　像其他微生物一樣，極端微生物也具有豐富的多樣性。目前科學(xué)界已發(fā)現(xiàn)的、支持極端微生物生長(zhǎng)的最高溫度極限為121℃，最高pH達(dá)11，最低pH值接近0，最高鹽濃度達(dá)到飽和的5.2摩爾，耐輻射劑量20kGy（是人致死劑量的2000倍）以上，壓強(qiáng)達(dá)130MPa（相當(dāng)于13000米水深）以上等。

　　探索生命極限的線索

　　極端微生物不僅代表了生命適應(yīng)環(huán)境的多樣性及其可能的范圍，對(duì)探究生命的起源、生命的進(jìn)化或地外生命都具有非凡意義。從分類角度看，目前地球的生物圈可以分為三大領(lǐng)域：細(xì)菌、古菌和包括人類的真核生物（動(dòng)物和植物）。其中細(xì)菌和古菌均屬于原核微生物；絕大多數(shù)古菌和少部分細(xì)菌都是極端微生物。這些極端微生物為地球的生物圈界定了環(huán)境極限的邊界條件，也提供了探索生命極限的線索。

　　科學(xué)家們相信，極端微生物是這個(gè)星球留給人類獨(dú)特的生物資源寶庫(kù)和極其珍貴的科研素材。開(kāi)展極端微生物的研究，對(duì)于揭示生物圈起源的奧秘，闡明生物多樣性形成的機(jī)制，認(rèn)識(shí)生命的極限及其與環(huán)境相互作用的規(guī)律等，都具有極為重要的科學(xué)意義。

　　例如極端微生物尤其是許多超極端的古菌，它們均屬于生命樹(shù)根部的進(jìn)化分支，而且生理特征和生活環(huán)境與地球開(kāi)始出現(xiàn)生命時(shí)的地質(zhì)化學(xué)和環(huán)境狀況可能相似。因此這些極端微生物可能代表了最古老的生命類群，是尋找最早生命形式和探索生命起源最重要的研究對(duì)象。例如，近年來(lái)，生命的“熱起源”假說(shuō)形成了關(guān)于生命起源的主流，但對(duì)此假說(shuō)也有質(zhì)疑——嗜熱物種究竟是祖先，還是在極端環(huán)境的壓力下選擇進(jìn)化的結(jié)果。對(duì)嗜熱微生物的研究將有助于對(duì)生命“熱起源”假說(shuō)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

　　極端微生物中發(fā)現(xiàn)的適應(yīng)機(jī)制，還將成為人類在太空中尋找地外生命的理論依據(jù)。例如耐輻射細(xì)菌所耐受的高輻射劑量，在地球上從未出現(xiàn)過(guò)，甚至催生了地球生命的外星球起源的假說(shuō)。

　　更有意義的發(fā)現(xiàn)是，古菌遺傳信息傳遞與真核生物的極其相似，因而古菌很可能成為了解真核生物，甚至我們?nèi)祟惖倪z傳信息傳遞系統(tǒng)的有效模型。

　　隨著研究的深入，科學(xué)界對(duì)極端微生物的研究興趣越來(lái)越濃厚。短短40年間，對(duì)極端微生物多樣性的研究取得了很大進(jìn)展。僅超嗜熱菌就從1972年的2個(gè)種增加到目前的80多個(gè)種，其他各類極端微生物的種也有200多個(gè)。隨著研究的深入和新研究方法的采用，微生物生存的環(huán)境條件極限也將不斷地被改寫(xiě)著。

　　為現(xiàn)代生物技術(shù)帶來(lái)革命性進(jìn)步

　　從更現(xiàn)實(shí)的角度上看，極端微生物特殊的基因與產(chǎn)物，也為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人類健康的發(fā)展提供新的途徑，為現(xiàn)代生物技術(shù)帶來(lái)革命性進(jìn)步。

　　極端微生物的酶和代謝產(chǎn)物已成為生物技術(shù)創(chuàng)新的源泉之一，并已經(jīng)創(chuàng)造了財(cái)富。目前在國(guó)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的極端酶有兩個(gè)，一個(gè)是嗜熱菌產(chǎn)生的Taq DNA聚合酶，使DNA的體外復(fù)制變得異常簡(jiǎn)便和常規(guī)化，大大加快了生物工程、基因組等分子生物學(xué)研究的進(jìn)程，年銷售利潤(rùn)達(dá)到上億美元；另一個(gè)是嗜堿菌產(chǎn)生的一種纖維素酶作為洗滌劑的添加劑，已有數(shù)十億美元的全球市場(chǎng)。此外，嗜鹽古菌的質(zhì)子泵“紫膜”蛋白有望用于光學(xué)信息處理和光儲(chǔ)存、生物芯片和生物計(jì)算機(jī)、全息照相和存儲(chǔ)、仿視覺(jué)功能人工視網(wǎng)膜、圖像傳感器和運(yùn)動(dòng)探測(cè)等高科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在國(guó)際上，極端嗜鹽菌產(chǎn)生的生物可降解生物材料正逐步取代不可生物降解的化學(xué)合成材料。同時(shí)，來(lái)自于極端微生物的生物催化劑有望使生物催化突破高壓、高溫、低溫、高鹽堿或有機(jī)溶劑等工業(yè)過(guò)程屏障。

　　在環(huán)境保護(hù)方面，工業(yè)產(chǎn)生的廢水一般是酸性、堿性或含鹽量大的環(huán)境，只有合適的極端微生物才能夠分解其中可能造成環(huán)境污染的物質(zhì)，在凈化水質(zhì)、提供生活用中水的同時(shí)，結(jié)合化學(xué)和生物的手段還能夠?qū)⒂泻ξ镔|(zhì)轉(zhuǎn)換為能源。而在理想的清潔能源酒精的生產(chǎn)中，利用高溫菌的高溫酒精發(fā)酵，可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵和蒸餾的同步化，可望大大降低生產(chǎn)成本，其產(chǎn)生的效益將達(dá)到數(shù)億元。

　　在農(nóng)業(yè)方面，極端微生物能夠耐低溫、耐高鹽堿及耐干旱等極端環(huán)境的特殊功能基因，是鹽堿地生物改造、高溫高鹽堿環(huán)境的污染治理的重要基因資源。

　　另外，極端微生物也已成為新的抗生素和新藥的重要來(lái)源。長(zhǎng)期的進(jìn)化以及特殊的生活環(huán)境決定了極端微生物獨(dú)特的代謝和生理能力，能夠產(chǎn)生普通生物所沒(méi)有的活性物質(zhì)。目前已經(jīng)從各類極端微生物中提取到多種結(jié)構(gòu)新穎的抗生素，因此極端微生物及其特殊的產(chǎn)物有可能形成新的產(chǎn)業(yè)方向，其特殊的功能和適應(yīng)機(jī)制，是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和提升生物技術(shù)的有效途徑。

　　極端微生物生命策略和適應(yīng)環(huán)境的多樣性說(shuō)明它們?cè)缫呀鉀Q了科學(xué)家今天仍在尋找答案的那些問(wèn)題，對(duì)其的開(kāi)發(fā)應(yīng)用將提供緩解資源、環(huán)境壓力、保障社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

　　相關(guān)鏈接

　　我國(guó)研究現(xiàn)狀

　　我國(guó)特殊的地理環(huán)境造就了得天獨(dú)厚的極端微生物資源。我國(guó)的極端微生物研究起步于20世紀(jì)60年代，1998年中國(guó)科學(xué)院人類基因組計(jì)劃對(duì)嗜熱的云南騰沖嗜熱厭氧桿菌進(jìn)行全基因組測(cè)序，從而開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)微生物基因組時(shí)代。科技部2004年啟動(dòng)了我國(guó)第一個(gè)關(guān)于極端微生物的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“極端微生物及其功能利用的基礎(chǔ)研究”。2006年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了我國(guó)微生物領(lǐng)域第一個(gè)創(chuàng)新群體項(xiàng)目“極端環(huán)境微生物生命特征及環(huán)境適應(yīng)機(jī)理”，對(duì)極端環(huán)境微生物的生理和遺傳機(jī)理進(jìn)行深入的研究。近年來(lái)，我國(guó)極端微生物的研究正不斷向新的地域和領(lǐng)域擴(kuò)展。以大洋一號(hào)為依托，國(guó)家海洋局開(kāi)始了深海極端微生物的研究；同時(shí)他們利用極地考察隊(duì)從北極帶回的樣本，正進(jìn)行北極極端嗜冷微生物的研究。

　　但我國(guó)在極端微生物基礎(chǔ)研究上表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的嚴(yán)重不足。企業(yè)對(duì)該領(lǐng)域幾乎沒(méi)有涉足，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的路徑尚未打通，導(dǎo)致這個(gè)有著極大應(yīng)用潛力的領(lǐng)域，沒(méi)有能夠充分發(fā)揮其產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。而這也是我國(guó)整個(gè)生物產(chǎn)業(yè)所面臨的共同問(wèn)題。