科学好故事|完美的生物载体:极端微生物编入信息永久存续

科学好故事|完美的生物载体:极端微生物编入信息永久存续
2021年01月11日 10:17 新浪科技

  来源:Nautilus

  撰写:维拉特·马坎迪亚(Virat Markandeya)

  翻译:叶子

艺术家乔·戴维斯认为,自己找到了一种持久稳定的人类历史记录载体。这种微生物也许可以帮助我们与系外文明进行交流。艺术家乔·戴维斯认为,自己找到了一种持久稳定的人类历史记录载体。这种微生物也许可以帮助我们与系外文明进行交流。

  法国的布列塔尼地区以拥有上千年历史的盐场而享誉全球,这些盐场产有一种特别的“盐之花”,是由海水蒸发后留下的盐结晶而成。不久前,哈佛大学医学院的乔·戴维斯用显微镜分析了当地色彩艳丽的盐池,发现浅水中富含多种嗜盐菌(可以在含盐环境中生长的微生物)。这令他十分好奇的想到了一个问题:等盐池中的水蒸发殆尽,这些微生物又不会凭空消失,那它们究竟去了哪儿呢?

  来自2.5亿年前的盐中微生物

  随后戴维斯购买了一系列手工专用盐,并做了消毒处理。这位具有酷似甘道夫的风度的69岁老人十分热爱DIY,还有将信息永久保存下去的心愿。1986年,他首次证明了信息可以被储存在基因中。由1和0组成的数字信息可以被对应到由四种DNA核酸组成的序列上,然后被整合并插入到细胞中。这之后科学家只要对DNA进行测序,便可读取其中编录的指示信息。

  戴维斯目前正在把排名前五万的维基百科页面编入苹果基因中,以期创造一棵永恒的“知识树”。他还与位于波多黎各的阿雷西博望远镜团队合作,将地球上数量最多的、光合作用不可或缺的蛋白质的基因序列发往了地球附近的恒星。

  戴维斯通过研究这些手工盐发现,前面所说的噬盐微生物被封存在了盐晶体中,可以进行培养。这让他发现了十分奇怪的一个现象:在经过分析的这些盐中,有一种来自喜马拉雅山脉附近,这些岩盐十分古老,并且从地质学、古生物学与地球化学证据来看,自从它们最初沉积形成以来,还从未经历过溶解和重新结晶。这说明保存在喜马拉雅岩盐中的原始微生物也许来自二叠纪至寒武纪时代。

  “这令我大为震惊。它们怎么可能来自2.5亿年前呢?”

  于是戴维斯从德国与奥地利的矿藏中采集了一些来自几亿年前、二叠纪时期的盐,又从纽约最深的盐矿采集了一些,想试试看能否从这些盐中培育出微生物。过去几十年来,越来越多的科学文献指出,我们也许有可能复活数百万、乃至数亿年前的微生物。这些微生物一直以脱水状态存活,并未死亡,但将新陈代谢降到了最低限度,只保留最基本功能。

法国布列塔尼地区的盖朗德盐(sel de Guérande)是海洋、阳光、风、盐场工人的传统劳作综合作用的结果,数千年来,它一直是从盐沼中手工采集而来。法国布列塔尼地区的盖朗德盐(sel de Guérande)是海洋、阳光、风、盐场工人的传统劳作综合作用的结果,数千年来,它一直是从盐沼中手工采集而来。

  这意味着从某种意义上来说,这些微生物成功逃脱了自然选择的宿命。数亿年来,它们一直保持着休眠状态,没有发生进化,也没有发展出有利性状,而是变成了一种相当于“种子银行”的存在。这些远古微生物被封存在海底深处的盐结晶中,处于缺乏氧气、但富含硫化氢的环境里。戴维斯意识到,他就这样发现了一种顽强的生物载体,不仅可以储存遗传信息,且保质期极长。

  戴维斯和同事们在2020年2月发表的一篇论文中提出,利用DNA碱基对创造的数字信息档案可以被插入活体嗜盐菌中,然后便可以“无限期”保存在结晶矿物盐中。2019年9月,戴维斯展出了一种经过基因改造的极端嗜盐古菌(Halobacterium salinarum),这是一种极其顽强的微生物,比大肠杆菌还要更胜一筹,从古盐中发现的极端嗜盐古菌与从盐场中培育出的现代样本进行了对比后会发现二者极其相似、难以辨别。

  为什么是盐?

  极端嗜盐古菌的防辐射机制与耐辐射奇异球菌(Deinococcus radiodurans)很相似。每个极端嗜盐古菌细胞中含有25份相同的染色体,在遭受高剂量辐射后,这些染色体会变为碎片、然后重新组合。该细菌的致死辐射剂量高达大多数大肠杆菌的18倍,“利用沉积在地下的古盐和能够携带信息的嗜盐菌,打造最稳定长久的人类信息档案”也许并不只是一个设想。

  大约就在这段时间里,英国苏塞克斯大学微生物学家特伦斯·麦克基尼提则带着自己的学生,考察了位于英国地下深处的伯毕盐矿。此处设有一座暗物质实验室。“盐矿可以隔绝大量宇宙辐射,因此地下的辐射水平很低。”这也是极端嗜盐古菌保护自身不受辐射伤害的方式之一。“封存在岩盐中更有利于古细菌的存活。”

  极端嗜盐古菌寄身于盐结晶内部的流体包裹体中(即充满液体的空腔),其中所含的高浓度盐水导致盐结晶看起来雾蒙蒙的。极端嗜盐古菌的酶机制已经适应了这种高盐分环境,因此淡水反而会导致细胞破裂。细胞需要维持渗透平衡,海水、盐水和淡水的含盐量各不相同,对细胞的影响也有轻重之分,但淡水是其中最致命的。,因为“淡水会对细胞的渗透平衡造成剧烈冲击,导致细胞破裂。”

  1928年,加州大学伯克利分校一位名叫查斯·利普曼的科学家曾宣称,自己在前寒武纪时期的岩石中发现了活体微生物。利普曼主要研究了从威尔士和美国宾夕法尼亚州采集的无烟煤,将其放在过氧化氢溶液里、并置于热烤炉中,在摄氏160至170度的高温下消毒了两天以上,“在无烟煤中发现的这些微生物其实是幸存者,从煤最初形成时一直封存至今。由于无烟煤实质上接近于泥炭,因此构成它的物质最初也许是富含微生物的。”

  在煤炭中找到微生物,就相当于要在所谓的“深层生物圈”中找到生命。深层生物圈还未得到统一定义,一般指位于地表下方的栖息环境,海洋生物圈中的沉积物也是深层生物圈的一部分,与极端嗜盐古菌在盐结晶中的生存环境有一些相似之处,生存在其中的物种都被囚禁在了能量极为有限的环境中。

  动物一般只会翻动海洋沉积物最上层的10厘米,而在这10厘米以下,沉积物受到的影响就很小了。海洋中有些位置数百万年来都不曾经历过明显扰动。

  完美的生物载体

  由于能量极其有限,这些栖息环境很难在实验室中进行模拟。科学家曾研究过多处这类栖息环境,南太平洋涡流便是其中之一。“乔迪斯·决心号”大洋钻探船上的船员们从涡流底部钻取了一根长长的竖直岩芯。在钻取过程中,工作人员必须佩戴口罩,防止吸入岩芯释放出的硫化氢气体。有些岩芯长达数百米,需要分段钻取。

  在从上至下分析这根岩芯的过程中,相当于从现代环境一路走回了远古环境。从南太平洋涡流采集的岩芯最早可追溯至9500万年前。其中所含的硫化氢其实是微生物新陈代谢的副产品,能够测量到其中含有硫化氢,这一点“有力地证明了该栖息环境中存在能够呼吸的活体微生物。”微生物对环境的适应程度可能不取决于它的生长能力,而取决于它的生存能力。

  研究人员对这类微生物能承受的能量下限尤其感兴趣:“很难说清下限有多低,因为这些微生物处理的能量极其接近于零。”当微生物从生长模式转变为“维护模式”、再转变为“深度休眠状态”时,会发生能量上的转换。“处于深度休眠状态时,微生物的基础能量需求会进一步降低,比处于维护状态时还要少。”

  人体的运行功率通常为100瓦,而从理论上来说,地下深处的微生物的运行功率或可低至10-21瓦,远比人类低得多。不过,10-21只是理论上的能量极限,微生物一般能承受的能量极限可能比这要高一些。

  实验学家们在试图培养这些远古细菌的过程中遭遇了很多困难。复活这些古菌的时间已经超过了1000天,有些古菌没能成功复活,缺少的要素也许不是营养物质,而是时间,因为这些微生物的生长速度实在是太慢了。

  虽然绝大多数“僵尸微生物”也许都无法活下去,但哪怕只有少数得以幸存,对太阳系内外的生命而言也具有重大意义。科学家认为,含盐环境在宇宙中十分常见。最新观测结果显示,火星南极附近就存在若干个盐水湖。并且自上世纪80年代以来,科学家已经多次在火星陨石中发现岩盐成分。此外,木卫二和土卫二上也很可能存在含盐环境。位于小行星带中的矮行星谷神星也拥有一片活跃的海洋。

  前文提到的戴维斯将极端嗜盐古菌以盐结晶的形式保存起来、放在架子上展出,并将自己的艺术展命名为“不死者科西切”。科西切是俄罗斯民间神话中的一位邪恶巫师,他将自己邪恶的灵魂藏在了一枚针尖中,再将针尖藏在一只鸭子体内的鸭蛋里。如果有人追逐,鸭子就会飞走。而这套“保护装置”又被埋在一只箱子里,箱子被搁在一座小岛上。随着潮涨潮落,小岛会时而出现、时而消失。

  戴维斯和他的团队利用一种名叫“向量编码”的技术,在极端嗜盐古菌的DNA中插入了一些信息,其中一部分就是受到了“不死者科西切”的启发。他们还在其中存入了一个三维的双螺旋结构、以及一个四维的超立方体结构。这些数字信息以一种充满诗意的方式,将一个关于“永生不死”的古代神话融入其中,使人不禁惊叹连连。

  假如极端嗜盐古菌真的能历经千百万年而不死,也许可以用于星际间信息传递。这样的生物载体可以永久存续下去,因为我们可以制作上亿个副本,设定上亿个接受者。

  关于极端微生物的论文数量在过去十年里快速增长,尽管在技术层面还存在诸多挑战,但已经有越来越多的科学家投身其中。或许在不久的将来我们可以看到极端微生物的奇妙应用面世。

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