海底熱液噴口、鹽湖、酸堿泉、深海……在這些本不應該存在生命的環(huán)境中，科學家們找到了微生物，并將它們統(tǒng)稱為“極端微生物”。美國科學家認為，對極端微生物的研究或許是尋找外星人的關鍵——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。美國航空航天局艾姆斯研究中心的科學家正在試圖通過基因工程可“創(chuàng)造”出適應極端環(huán)境的微生物。我國科學家也在研究極端微生物，他們認為，極端微生物的生命策略和適應環(huán)境的多樣性或許早已解決了科學家今天仍在尋找答案的那些問題。

地球生命形式的獨特風景線

    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、干旱或高輻射強度等極端環(huán)境中正常生長繁殖的微生物，而這些極端環(huán)境對普通生物（包括人類）而言是不可耐受的，一度被認為是生命禁區(qū)。

    但其實，從生命現(xiàn)象發(fā)生以來，極端微生物在地球生物圈中業(yè)已存在，只是由于生產(chǎn)和科學技術的局限，直到19世紀末人們才逐漸在生活和生產(chǎn)實踐中認識到這一大類特殊生命群體。從接近沸點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，它們構成了地球生命形式的獨特風景線，它們在細胞構造、生命活動和種系進化上的突出特性，以及存在的原理與意義，為更好地認知生命現(xiàn)象、發(fā)展生物技術提供了寶貴的知識源泉。

    像其他微生物一樣，極端微生物也具有豐富的多樣性。目前科學界已發(fā)現(xiàn)的、支持極端微生物生長的最高溫度極限為121℃，最高pH達11，最低pH值接近0，最高鹽濃度達到飽和的5.2摩爾，耐輻射劑量20kGy（是人致死劑量的2000倍）以上，壓強達130MPa（相當于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環(huán)境的多樣性及其可能的范圍，對探究生命的起源、生命的進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域：細菌、古菌和包括人類的真核生物（動物和植物）。其中細菌和古菌均屬于原核微生物；絕大多數(shù)古菌和少部分細菌都是極端微生物。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。

    科學家們相信，極端微生物是這個星球留給人類獨特的生物資源寶庫和極其珍貴的科研素材。開展極端微生物的研究，對于揭示生物圈起源的奧秘，闡明生物多樣性形成的機制，認識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，它們均屬于生命樹根部的進化分支，而且生理特征和生活環(huán)境與地球開始出現(xiàn)生命時的地質化學和環(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象。例如，近年來，生命的“熱起源”假說形成了關于生命起源的主流，但對此假說也有質疑——嗜熱物種究竟是祖先，還是在極端環(huán)境的壓力下選擇進化的結果。對嗜熱微生物的研究將有助于對生命“熱起源”假說的進一步認識。

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

    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，甚至我們人類的遺傳信息傳遞系統(tǒng)的有效模型。

    隨著研究的深入，科學界對極端微生物的研究興趣越來越濃厚。短短40年間，對極端微生物多樣性的研究取得了很大進展。僅超嗜熱菌就從1972年的2個種增加到目前的80多個種，其他各類極端微生物的種也有200多個。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著。

為現(xiàn)代生物技術帶來革命性進步

    從更現(xiàn)實的角度上看，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)代生物技術帶來革命性進步。

    極端微生物的酶和代謝產(chǎn)物已成為生物技術創(chuàng)新的源泉之一，并已經(jīng)創(chuàng)造了財富。目前在國際上已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的極端酶有兩個，一個是嗜熱菌產(chǎn)生的Taq DNA聚合酶，使DNA的體外復制變得異常簡便和常規(guī)化，大大加快了生物工程、基因組等分子生物學研究的進程，年銷售利潤達到上億美元；另一個是嗜堿菌產(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。此外，嗜鹽古菌的質子泵“紫膜”蛋白有望用于光學信息處理和光儲存、生物芯片和生物計算機、全息照相和存儲、仿視覺功能人工視網(wǎng)膜、圖像傳感器和運動探測等高科技產(chǎn)業(yè)領域。在國際上，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合成材料。同時，來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、高鹽堿或有機溶劑等工業(yè)過程屏障。

    在環(huán)境保護方面，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，在凈化水質、提供生活用中水的同時，結合化學和生物的手段還能夠將有害物質轉換為能源。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源。長期的進化以及特殊的生活環(huán)境決定了極端微生物獨特的代謝和生理能力，能夠產(chǎn)生普通生物所沒有的活性物質。目前已經(jīng)從各類極端微生物中提取到多種結構新穎的抗生素，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機制，是改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和提升生物技術的有效途徑。

    極端微生物生命策略和適應環(huán)境的多樣性說明它們早已解決了科學家今天仍在尋找答案的那些問題，對其的開發(fā)應用將提供緩解資源、環(huán)境壓力、保障社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

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我國研究現(xiàn)狀

    我國特殊的地理環(huán)境造就了得天獨厚的極端微生物資源。我國的極端微生物研究起步于20世紀60年代，1998年中國科學院人類基因組計劃對嗜熱的云南騰沖嗜熱厭氧桿菌進行全基因組測序，從而開創(chuàng)了我國微生物基因組時代?？萍疾?004年啟動了我國第一個關于極端微生物的國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“極端微生物及其功能利用的基礎研究”。2006年國家自然科學基金委啟動了我國微生物領域第一個創(chuàng)新群體項目“極端環(huán)境微生物生命特征及環(huán)境適應機理”，對極端環(huán)境微生物的生理和遺傳機理進行深入的研究。近年來，我國極端微生物的研究正不斷向新的地域和領域擴展。以大洋一號為依托，國家海洋局開始了深海極端微生物的研究；同時他們利用極地考察隊從北極帶回的樣本，正進行北極極端嗜冷微生物的研究。

    但我國在極端微生物基礎研究上表現(xiàn)出優(yōu)勢的同時，也存在著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的嚴重不足。企業(yè)對該領域幾乎沒有涉足，產(chǎn)學研結合的路徑尚未打通，導致這個有著極大應用潛力的領域，沒有能夠充分發(fā)揮其產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。而這也是我國整個生物產(chǎn)業(yè)所面臨的共同問題。