冷菌是什么

冷菌是什么

        冷菌（Psychrophiles）又叫低温菌,生长最适温度常在0℃-15°C之间，主要生存在南极、北极、中国生长温度较低的地区、深度海洋底部等低温环境中。相比较于其他微生物而言，冷菌具有极高的耐寒性，其细胞壁和细胞膜能够进行改变，使得其能在极端的低温环境下生存繁殖。同时，由于低温微生物的生活速度较慢，其细胞代谢产生的内源性有机物含量也较低，因而与高温环境下的微生物相比更为稳定，具有更长时间的保鲜期。

        冷菌的天然遗传物质及代谢产物的特殊性质，常被应用于冷鲜食品、生物修复，以及蛋白质生产等领域。由于其生活方式极独特，因此研究冷菌的生物学和生态学不仅有助于揭示生命科学的奥秘，还有可能为探索火星等低温环境中是否有生命奠定科学基础。

地球上有没有生物可以在火星生存

多年以来，科学家们一直在尝试对生命在我们自己星球上的起源进行理论化，以便预测在其他宜居星球中生命可以如何生存。研究人员对生活在“极端”环境中的微生物尤其感兴趣，因为其中一些微生物被认为代表了地球上最古老的生命形式。这些古老的高度专业化的生物被称为“极端微生物”，被认为能够在恶劣的条件下快速生长，因此是在其他行星上可以生存的地球生命的有力候选者。火星则是人类成功探索的第一颗“其它行星”。

不少研究人员一直在研究极端微生物，并将它们暴露在类似于火星的环境中，以观察它们的健康状况。他们尤其想了解两种产甲烷菌是否能承受火星的冻融循环。

产甲烷菌是古细菌域中的微生物，该域与细菌域是截然分离的另一个生物域。实际上这些产甲烷菌就是造成反刍动物中的甲烷和人类肠胃气胀的因素之一。产甲烷菌是产生甲烷的厌氧生物，其中一些利用氢气将二氧化碳还原为甲烷。

由于这些生物是厌氧并且是非光合作用的，因此一些科学家认为它们可能是火星生命的理想候选者，尤其是它们可能存在于地下环境中。

为了测试它们在类似火星条件下的生存能力，科学家将福尔摩斯氏杆菌和狼毒杆菌暴露于远低于这些生物理想生长温度（分别为37 o C和55 o C）的火星冻融循环。这些生物实际上都是嗜热菌，它们都是在相对较高的温度下茁壮成长的极端微生物。科学家们发现，这两个物种都在实验室中火星般的温度范围中幸存下来。火星上的低温抑制了它们的生长，但它们得以幸存，一旦它们回到温暖的温度范围，它们便能够再次生长和代谢。

火星一昼夜的温度的范围大致在零下-90摄氏度到27摄氏度之间。如果现在火星上存在任何生命，那么它至少必须能够在该温度范围内生存。长期冷冻/解冻循环后，这两种产甲烷菌的存活率表明，产甲烷菌有可能栖息在火星的地下。

早在2004年，就在火星大气层中发现了甲烷。有研究者认为，产甲烷菌可能是甲烷的来源，并且自90年代以来就有人一直在研究这些生物抵御类似火星的条件的能力。

当然，仅仅因为这些生物可以在如此剧烈的温度范围内生存，就不一定意味着产甲烷菌可以在火星上生存。因为实际情况比这要复杂一点。除这些温度外，火星上的生存条件还很复杂，例如更强烈的宇宙射线辐射（火星大气很稀薄，且没有地磁场保护）。

什么样的生物能够在火星上生存？

我们基本上可以认为，火星上如果存在任何生命那应该肯定都是微生物，但除非进行实证研究，我们无法确定这些猜测。不过，通过深入研究地球上一些最怪异的生物，我们可以筛选具备这些条件的生物才能在火星上生存：

• 嗜冷耐盐碱的微生物
  

根据NASA的说法，液态水在火星表面间歇性流动的“迄今最强有力的证据”来自一项新的光谱分析，该分析发现了火星陨石坑壁上流动条纹中的水合高氯酸盐。将盐溶解在水中是防止其在低于零温度的温度下冻结的最佳方法之一，而高氯酸盐由氯和与其他各种原子键合的氧组成，其作用比大多数盐更好。已知某些高氯酸盐会阻止液体在低至-94华氏度（-70摄氏度）的温度下冻结。

火星上加尼·克雷特（Garni Crater）陨石坑的岩壁上散发着深色的细条纹，被称为“反复出现的斜坡线”。这些条纹被认为是现代火星上液态水的有力证据。

上图：火星上的“反复出现的斜坡线”的季节变化。

因此，人们认为在火星上，盐水会偶尔流下陨石坑壁，并在蒸发到稀薄的大气层时沉积出盐条纹。水是否起源于地下储层，或者高氯酸盐实际上是从空气中吸取水蒸气仍有待观察。

现在，在我们深入了解生物推测之前，必须牢记这些盐水的存在对于任何生命周期都可能太极端。地球上的类似盐水坑太盐度太高了，让生命无法生存，最著名的是南极洲的“唐璜池塘”。这种火星上的盐水池甚至比唐璜池塘中的氯化钙盐水的盐度更高。

尽管如此，这些盐水仍然是我们开始想象火星上可能存在生命可以存活的栖息地类型的好地方。那么，什么样的生命形式可以生活在非常寒冷、盐度非常高的水中呢？

多年来，科学家在地球上发现了各种各样的嗜盐和嗜冷微生物。最近，我们甚至发现了一些嗜冷嗜盐菌，它们在南极湖泊或夹在冰川冰盖中的盐水液体脉络中茁壮成长。尽管学者已经提出了针对这些生物体的温度和盐度限制，但对于细胞分裂的基本限制为-12ºC，对于基本代谢功能的限制为-20ºC。一种名为psychrohalophile，Psychromonas ingrahamii的微生物生长在温度低至-23ºC和高达20％的盐浓度的环境中生活。

上图：南极维达湖冰冷盐水通道中细菌细胞的扫描电子显微镜照片。

在这种环境中地球上的微生物如何生存？为了避免像盐堆中的肉块一样变干，嗜盐菌会主动将盐份吸入细胞内。细胞内的液体盐度太高会使渗透梯度朝内（例如，水流入细胞，而不是流出细胞），但是它还具有确保细胞不会冻结成固体的额外功能，一旦冻结这将使新陈代谢变得非常不可能。

上图：嗜冷菌的生理适应性。

除了盐分平衡外，许多其他适应方法还可以帮助嗜冷者在寒冷中生存。嗜冷细胞膜往往富含不饱和脂肪酸，并且含有特别的转运蛋白，用于将物质运入和运出细胞。它们的酶在结构上更灵活。这些小生物中的一些甚至会产生抗冻蛋白，这有助于限制其细胞内冰晶的生长。

最后，遗传学分析表明，嗜冷菌倾向于携带大量的“移动DNA元件”，即编码冷适应性状的基因，可以在微生物之间交换。如果您是南极盐水中的嗜冷细菌但缺少某种对生存至关重要的蛋白质，那么您也许就可以从邻居那里获得相关的遗传“黑科技”。

• 耐毒和耐辐射的微生物
  

地球上嗜盐菌的适应暗示了在火星可能的生存策略。但是，火星上的任何生命形式都必须克服其他一些巨大挑战。首先，是缺少臭氧层的火星整天都象会经过整天的紫外线杀菌消毒。到目前为止，我们已经发现了火星盐水中盐的实际性质。高氯酸盐是高度腐蚀性的化合物，对地球上的大多数生物都是有毒的。

基本上，我们送往火星的微生物必须克服火星是充满有毒化学物质且和高辐射的荒野这一事实。

避免辐射的一种方法是住在地下。也许我们看到的高氯酸盐条纹暗示了地下蓄水层的存在，也许这些蓄水层提供了无辐射的栖息地。但是我们完全不确定情况是否如此。实际上，在一次新闻发布会上，美国宇航局明确表示，形成高氯酸盐盐水的另一种假设是一种被称为“潮解”的过程，也就说盐实际上将水从大气中抽出而形成溶液。

在阿塔卡马沙漠中，这是地球上最干燥、辐射最密集的环境之一，科学家发现微生物生活在盐晶体表面的液态水薄膜中。根据2011年在《天体生物学》杂志上发表的一篇论文，这些薄膜可能是由潮解形成的。

上图：微生物生长在阿塔卡马沙漠下方的盐晶体中。

据科学家称，高氯酸盐的“水活度”非常低，这意味着其中的水很难被利用。如果（这些盐水）是高氯酸盐饱和盐水，那么地球上已知的生命将无法在如此低的水分活度下生存。除了水分活度低外，高氯酸盐还对地球上的大多数生物具有直接的毒性。

但是我们应该保持开放的态度，因为地球上有微生物一遍又一遍地表现出来适应有毒环境的惊人能力。在腐蚀性强的酸性矿山排水场所和砷湖泊中就有虫子获得好好的。科学家已经记录了北极微生物适应汞污染水平的上升的事实。微生物学家甚至发现了可能会降解高氯酸盐的细菌酶的证据（在地球上）。

上图：伯克利·皮特（Berkeley Pitt）矿坑是一座废弃的露天铜矿，里面装满有毒废物，拥有独特的微生物生态系统。

除了高氯酸盐盐水，火星上可能还有其他更宜居的环境。另一个有希望的环境是火星凤凰号着陆器在其极地着陆点的土壤中观察到的水薄膜。火星的内部热量可以在很长一段时间内保持地下水的流动，虽然地下物质流动不便，但辐射较少。

总结

地球上已经有不少可以在火星上生存的微生物候选者。我们期待未来中国火星探索的时候可以进一步揭开这个谜题，这个时刻不远了。