有哪些不同寻常的原核生物？
地球上生命的根基，在我们常常忽略的微小世界里，隐藏着一群令人惊叹的原核生物，它们以各种不寻常的方式生存着，颠覆着我们对生命形态的认知。这些家伙们，简直就是微生物界的“怪咖”集锦，它们的生活方式、生理功能，甚至生存环境，都充满了令人咋舌的离奇与精彩。
1. 那些在极端环境中安家落户的顽强生命：极端微生物的奇葩们
当我们谈论“不寻常”，首先想到的往往是它们生活在哪里。普通生物受不了的炼狱，却是它们的天堂。
嗜热菌 (Thermophiles) 和超嗜热菌 (Hyperthermophiles): 想象一下，在火山喷口、深海热泉旁，水温高达80°C甚至100°C以上，别说人类，大多数生物早就被煮熟了。但在这里，一群名为嗜热菌的细菌和古菌却如鱼得水。它们拥有特殊的酶，能够在高温下保持结构稳定并发挥功能，这让它们成为生物技术领域的研究热点。比如，科学家们从温泉中分离出的耐热DNA聚合酶（Taq酶），就是PCR技术的核心，彻底改变了分子生物学。更有甚者，一些超嗜热菌能在122°C的高温下生存，它们体内的蛋白质、DNA甚至细胞膜都发生了适应性进化，简直是生命韧性的极限挑战者。
嗜冷菌 (Psychrophiles): 反其道而行之，在南极冰层、北极永冻土，甚至高山冰川的深处，也存在着嗜冷菌。它们能够在接近冰点或零度以下的环境中生长繁殖。它们的细胞膜含有大量的ባቸው不饱和脂肪酸，保持了流动性，让细胞在极寒中不至于僵硬死亡。一些嗜冷菌甚至能分泌抗冻蛋白，防止体内水分结冰，就像给细胞穿上了“防冻衣”。想象一下，在零下十几度的冰块里还能活动的微生物，这得是多么惊人的生存策略！
嗜盐菌 (Halophiles): 死亡谷的盐碱滩、死海，那些饱和的盐溶液，对大多数生物来说是致命的渗透压，会导致细胞失水死亡。但嗜盐菌却能在这样的环境中大量繁殖。它们通过在细胞内积累高浓度的钾离子或有机溶质（如甘油），来平衡外部的高盐环境。有些嗜盐菌，如珊瑚海藻细菌，在浓度高达30%以上的盐溶液中也能生长，它们细胞膜上的特殊蛋白甚至呈红色，让这些盐湖呈现出神秘的色彩。
嗜酸/嗜碱菌 (Acidophiles/Alkaliphiles): 它们的生存环境更加极端，可能是酸性高达pH 0的矿山废水，也可能是碱性高达pH 11的碳酸钠湖。嗜酸菌细胞壁和细胞膜的结构经过进化，能够抵御高浓度的氢离子侵袭，同时它们将氢离子泵出细胞外，维持细胞内的中性环境。嗜碱菌则相反，它们会主动吸收质子或泵出羟基离子，来维持细胞内的弱碱性环境。它们的存在，也为我们了解生物体如何应对极端pH值提供了重要的线索。
嗜压菌 (Piezophiles) / 压力适应菌 (Barophiles): 深海的马里亚纳海沟，那里的压力是海平面的上千倍，任何暴露在空气中的生物都会被瞬间压扁。但在这片漆黑、高压的深渊里，仍然有生命存在，那就是嗜压菌。它们能够在极高的静水压力下生存，甚至压力越高，它们生长得越好。它们的细胞膜成分、蛋白质结构都经过了特殊调控，以适应巨大的压力。
2. 那些拥有“超能力”的特异功能微生物
除了生存环境的极端，这些微生物的能力也让人叹为观止。
固氮菌 (Nitrogenfixing bacteria): 空气中约78%是氮气，但绝大多数生物都无法直接利用它。而固氮菌，例如根瘤菌，能够将空气中的氮气转化为植物可以吸收的氨，这个过程称为固氮作用。这个能力是如此重要，没有它们，地球上的氮循环将停滞，几乎所有生命都将无法维系。它们就像是大自然的小型化肥厂，为整个生态系统提供着关键的营养。
化能自养菌 (Chemoautotrophs): 它们不像我们一样需要阳光来制造能量，而是通过氧化无机物（如硫化物、氨、亚铁离子等）来获取能量，并利用二氧化碳作为碳源合成有机物。在没有阳光的深海热泉、地下岩石缝隙中，它们是食物链的最底层生产者，支撑着一个完全独立的生态系统。例如，硫细菌氧化硫化物，为其他化能自养生物提供能量。
生物荧光细菌 (Bioluminescent bacteria): 有些细菌能在黑暗中发出幽幽的光芒，例如荧光弧菌。它们体内含有特殊的酶系统（如荧光素酶），能够催化荧光素的氧化发光反应。这种荧光既可以吸引宿主（如某些鱼类）与之共生，也可以用于防御。想象一下，一片黑暗的海洋深处，闪烁着点点星光，而这光芒来自微小的细菌，多么奇妙的景象。
寄生与共生大师： 有些原核生物与宿主之间形成了复杂而独特的关系。例如，某些细菌能感染昆虫，改变昆虫的行为使其更容易被捕食，从而将细菌传播出去。而有些共生细菌则能帮助宿主消化食物，或者合成宿主自身无法合成的营养物质。这些关系充满了智慧和策略，展现了生命之间错综复杂的联系。
3. 外形与结构的奇特爱好者
有些微生物的“长相”就足够让人大跌眼镜了。
螺旋体 (Spirochetes): 它们拥有细长、螺旋状的细胞，外形如同弹簧，并且在细胞膜和外鞘之间有一层特殊的“周毛”，通过周毛的旋转来驱动螺旋体在液体中前进，这种运动方式非常独特，有点像微型钻头。梅毒螺旋体、莱姆病螺旋体等都是著名的病原体。
巨型细菌 (Giant bacteria): 我们印象中的细菌都小到需要显微镜才能看到，但有些例外。例如，来自马达加斯加海岸的“巨型海藻球菌”（_Thiomargarita namibiensis_）就是一个例子，它的细胞直径可以达到0.5毫米，肉眼可见，简直是细菌界的“巨人”。它们通过体内巨大的液泡来储存硝酸盐，这可能是它们在缺氧环境中生存的重要策略。
链状或丝状细菌: 有些细菌不是孤立存在的，而是形成长长的链状或丝状群体，通过细胞间的连接来协同活动，或者共享某些功能。这种群体生活的方式，就像是细菌组成的“超级生物体”。
这些不寻常的原核生物，只是微生物王国冰山一角。它们的存在，不仅拓展了我们对生命极限的理解，也为科学研究和技术应用提供了无数灵感和可能。它们是地球上最古老、最顽强的生命形式，默默地书写着生命的多样性与韧性，提醒着我们，在这个星球上，还有无数未知的奇迹等待我们去发现和探索。下一次当你看到一片看似荒芜的土地，或者一片看似平静的水面时，不妨想象一下，那里可能正孕育着一群你从未想象过的、令人惊叹的原核生命。
1. 那些在极端环境中安家落户的顽强生命：极端微生物的奇葩们
当我们谈论“不寻常”，首先想到的往往是它们生活在哪里。普通生物受不了的炼狱，却是它们的天堂。
嗜热菌 (Thermophiles) 和超嗜热菌 (Hyperthermophiles): 想象一下，在火山喷口、深海热泉旁，水温高达80°C甚至100°C以上，别说人类，大多数生物早就被煮熟了。但在这里，一群名为嗜热菌的细菌和古菌却如鱼得水。它们拥有特殊的酶，能够在高温下保持结构稳定并发挥功能，这让它们成为生物技术领域的研究热点。比如，科学家们从温泉中分离出的耐热DNA聚合酶（Taq酶），就是PCR技术的核心，彻底改变了分子生物学。更有甚者，一些超嗜热菌能在122°C的高温下生存，它们体内的蛋白质、DNA甚至细胞膜都发生了适应性进化，简直是生命韧性的极限挑战者。
嗜冷菌 (Psychrophiles): 反其道而行之，在南极冰层、北极永冻土，甚至高山冰川的深处，也存在着嗜冷菌。它们能够在接近冰点或零度以下的环境中生长繁殖。它们的细胞膜含有大量的ባቸው不饱和脂肪酸，保持了流动性，让细胞在极寒中不至于僵硬死亡。一些嗜冷菌甚至能分泌抗冻蛋白，防止体内水分结冰，就像给细胞穿上了“防冻衣”。想象一下，在零下十几度的冰块里还能活动的微生物，这得是多么惊人的生存策略！
嗜盐菌 (Halophiles): 死亡谷的盐碱滩、死海，那些饱和的盐溶液，对大多数生物来说是致命的渗透压，会导致细胞失水死亡。但嗜盐菌却能在这样的环境中大量繁殖。它们通过在细胞内积累高浓度的钾离子或有机溶质（如甘油），来平衡外部的高盐环境。有些嗜盐菌，如珊瑚海藻细菌，在浓度高达30%以上的盐溶液中也能生长，它们细胞膜上的特殊蛋白甚至呈红色，让这些盐湖呈现出神秘的色彩。
嗜酸/嗜碱菌 (Acidophiles/Alkaliphiles): 它们的生存环境更加极端，可能是酸性高达pH 0的矿山废水，也可能是碱性高达pH 11的碳酸钠湖。嗜酸菌细胞壁和细胞膜的结构经过进化，能够抵御高浓度的氢离子侵袭，同时它们将氢离子泵出细胞外，维持细胞内的中性环境。嗜碱菌则相反，它们会主动吸收质子或泵出羟基离子，来维持细胞内的弱碱性环境。它们的存在，也为我们了解生物体如何应对极端pH值提供了重要的线索。
嗜压菌 (Piezophiles) / 压力适应菌 (Barophiles): 深海的马里亚纳海沟，那里的压力是海平面的上千倍，任何暴露在空气中的生物都会被瞬间压扁。但在这片漆黑、高压的深渊里，仍然有生命存在，那就是嗜压菌。它们能够在极高的静水压力下生存，甚至压力越高，它们生长得越好。它们的细胞膜成分、蛋白质结构都经过了特殊调控，以适应巨大的压力。
2. 那些拥有“超能力”的特异功能微生物
除了生存环境的极端，这些微生物的能力也让人叹为观止。
固氮菌 (Nitrogenfixing bacteria): 空气中约78%是氮气，但绝大多数生物都无法直接利用它。而固氮菌，例如根瘤菌，能够将空气中的氮气转化为植物可以吸收的氨，这个过程称为固氮作用。这个能力是如此重要，没有它们，地球上的氮循环将停滞，几乎所有生命都将无法维系。它们就像是大自然的小型化肥厂，为整个生态系统提供着关键的营养。
化能自养菌 (Chemoautotrophs): 它们不像我们一样需要阳光来制造能量，而是通过氧化无机物（如硫化物、氨、亚铁离子等）来获取能量，并利用二氧化碳作为碳源合成有机物。在没有阳光的深海热泉、地下岩石缝隙中，它们是食物链的最底层生产者，支撑着一个完全独立的生态系统。例如，硫细菌氧化硫化物，为其他化能自养生物提供能量。
生物荧光细菌 (Bioluminescent bacteria): 有些细菌能在黑暗中发出幽幽的光芒，例如荧光弧菌。它们体内含有特殊的酶系统（如荧光素酶），能够催化荧光素的氧化发光反应。这种荧光既可以吸引宿主（如某些鱼类）与之共生，也可以用于防御。想象一下，一片黑暗的海洋深处，闪烁着点点星光，而这光芒来自微小的细菌，多么奇妙的景象。
寄生与共生大师： 有些原核生物与宿主之间形成了复杂而独特的关系。例如，某些细菌能感染昆虫，改变昆虫的行为使其更容易被捕食，从而将细菌传播出去。而有些共生细菌则能帮助宿主消化食物，或者合成宿主自身无法合成的营养物质。这些关系充满了智慧和策略，展现了生命之间错综复杂的联系。
3. 外形与结构的奇特爱好者
有些微生物的“长相”就足够让人大跌眼镜了。
螺旋体 (Spirochetes): 它们拥有细长、螺旋状的细胞，外形如同弹簧，并且在细胞膜和外鞘之间有一层特殊的“周毛”，通过周毛的旋转来驱动螺旋体在液体中前进，这种运动方式非常独特，有点像微型钻头。梅毒螺旋体、莱姆病螺旋体等都是著名的病原体。
巨型细菌 (Giant bacteria): 我们印象中的细菌都小到需要显微镜才能看到，但有些例外。例如，来自马达加斯加海岸的“巨型海藻球菌”（_Thiomargarita namibiensis_）就是一个例子，它的细胞直径可以达到0.5毫米，肉眼可见，简直是细菌界的“巨人”。它们通过体内巨大的液泡来储存硝酸盐，这可能是它们在缺氧环境中生存的重要策略。
链状或丝状细菌: 有些细菌不是孤立存在的，而是形成长长的链状或丝状群体，通过细胞间的连接来协同活动，或者共享某些功能。这种群体生活的方式，就像是细菌组成的“超级生物体”。
这些不寻常的原核生物，只是微生物王国冰山一角。它们的存在，不仅拓展了我们对生命极限的理解，也为科学研究和技术应用提供了无数灵感和可能。它们是地球上最古老、最顽强的生命形式，默默地书写着生命的多样性与韧性，提醒着我们，在这个星球上，还有无数未知的奇迹等待我们去发现和探索。下一次当你看到一片看似荒芜的土地，或者一片看似平静的水面时，不妨想象一下，那里可能正孕育着一群你从未想象过的、令人惊叹的原核生命。
网友意见
电合成
铁细菌Acidithiobacillus ferrooxidans可以在只有电流作为能源和电子源的环境下利用岩石和水中溶解的二氧化碳合成有机物并增殖[1]，可能在深海底部支持电能生态系。
辐射合成
辐射合成细菌Candidatus Desulforudis audaxviator可以在只有铀矿的辐射作为能源的环境下利用岩石和水中溶解的物质合成有机物并增殖，在南非地下1500~3000米深的矿井地下水中建立生态系。相关论文发表在2008年10月10日的Science杂志[2]。辐射对该物种并非必需，且它们在作为化能自养生物的同时还可以分解同类的死细胞来回收材料。
- Candidatus Desulforudis audaxviator生活的环境里没有其它生物。它的环境耐性和能量获取途径允许它在太阳系的多个天体的地下生存，包括火星[3]。
- 在科学家检测的五吨地下水里，Candidatus Desulforudis audaxviator的230万个碱基对只有32个突变过不止1次，说明其极度适应该环境。
像这样独立维持生态系的生物在地下可能还有很多。
能量获取途径不明
深海底部一些地方的地壳很薄，有一些裂缝在涌出蛇纹岩化反应产生的pH11的水，那里面存在原核生物。这些微生物的环境耐性和能量取得手段看起来根本就是能在上地幔里活动的。
- 根据日本的深海调查，这类微生物大量分布在橄榄岩上、缺少我们认为对自由生活的原核生物来说必需的一些基因而有一些未知基因，其生存可能依赖蛇纹岩化反应。
- 2017年，研究人员从美国加利福尼亚2处地方的蛇纹岩化反应涌出水里检出了多种微生物，其中79种的基因组已经被解析。它们是细菌但ATP合成酶基因与古菌相同，一部分物种没有ATP合成酶基因，核糖体构造与已知细菌不同，这之中还有一部分物种也没有糖酵解酶基因，其能量获取途径不明。
- 这也许和它们体表覆盖的纳米级橄榄石/蛇纹岩有关——如果确定是化能合成自养，那这些就是上地幔生态系的生产者了。
耐辐射
我们已经知道抗辐射奇异球菌在5000戈瑞下几乎无损、在7000戈瑞下有63%正常生活繁殖、在15000戈瑞下有37%正常生活繁殖，Rubrobacter radiotolerans 在16000戈瑞下有63%正常生活繁殖，放线菌门、广古菌门、变形菌门都有可以在10000戈瑞下正常生活繁殖的物种。
我们已经知道许多微生物和真菌能生活在切尔诺贝利核电站、福岛核电站泄漏之后的辐射防护墙内部，并以电离辐射作为能源茁壮成长[4]。
- 目前我们知道的最耐辐射的地球生物是古菌 Thermococcus gammatolerans[5]，可以在30000戈瑞的伽马射线下生活，无论是否在分裂期，都能修复断裂的DNA。
作为对照，1963年，科学家发现蟑螂的辐射致死量比人类高六到十五倍，10戈瑞的电离辐射吸收剂量可以干扰蟑螂的生育能力，64戈瑞可以杀死93%的蟑螂；在核爆后的广岛，人们发现一些蛀虫和它们的卵在480至680戈瑞的辐射下正常生长；1959年，科学家发现640戈瑞的辐射才能杀死实验室最常见的果蝇，一种柔茧蜂甚至要1800戈瑞才能杀死。
接近永恒
一些原核生物可以在深海·深层地下依靠10^-19瓦到10^-21瓦的微弱能流生存，将取得的能量几乎全部用于修复身体受到的损伤。在地球地下深处找到的一些细菌可以持续千年不分裂，乃至在深海发现的一群细菌已经生存了约1.105亿年。
美国在盐结晶里发现过一些细菌的内生孢子休眠了2.5亿年、在实验室里复苏并正常传代[6]。
步入太空
过去几十年间，学术界已经发现众多地球生物能在太空中生存。
- 卡门线以外的稀薄大气中仍然存在来自地球的微生物，可以说是一直在太空中生存的地球生物。
- 俄罗斯宇航员发现国际空间站外壳上有来自地球的海洋微生物。运载该舱段的俄罗斯火箭从未在海洋上方低空飞行。宇航员估计，这些微生物是被偶发的气流带到太空并附着到空间站上、在真空中扩增的。
- 日本科学家将耐辐射奇异球菌放置在国际空间站日本实验舱外3年，实验结果显示，厚度超过0.5毫米的凝结块中的细菌存活了下来。研究人员指出，位于凝结块外表面的细菌死亡，其尸体为下方的活细菌提供了保护。研究人员估计，直径大于1毫米的细菌团可能在太空存活8年，更厚的凝结块可能在太空存活15到45年。这时间跨度允许天体撞击产生的飞溅岩石夹带着微生物在太阳系内传播——而且不需要大块岩石保护微生物。
- 国际空间站上进行的更多实验证明，比上面那些家伙平凡得多的细菌在聚集成团的情况下可以暴露在太空中长时间生存，例如枯草芽孢杆菌，还有后面你会看到的某个熟悉的名字。
- 以光合作用生产有机物的嗜热蓝菌物种 Chroococcidiopsis 可以暴露在太空生存，或许能帮助人类在太空中长期居住。
准核生物
准核生物是于2010年5月在日本东南方海域的明神海丘发现的，于2012年由筑波大学的研究人员发表描述[7]。
他们观察到的准核生物的细胞长约10微米、宽约3微米，具有被单层、无核孔的核膜围绕的大型拟核状结构，约占细胞体积的41%，内含一些核糖体和一些丝状DNA，这些DNA并不形成染色体；该生物的细胞质基质约占细胞体积的22%，也含有一些核糖体，还有一些螺旋状的大型构造、疑似是内共生的产物，而找不到线粒体、质粒、内质网、高尔基体、中心体等细胞器。
真核生物的核膜是双层、有核孔的。准核生物明确地告诉你，非真核生物可以有核膜。英国演化生物学家尼克·连恩表示，准核生物可能是在不久前获得内共生物、正在朝真核生物方向演化的原核生物。
平凡与“不同寻常”有界限么
实验证明，大肠杆菌这样你身上就有的、看起来很平凡的地球微生物，可以在100%氢气中生存、生长、复制；由于缺氧，大肠杆菌繁殖速度减半。
大肠杆菌同样被国际空间站上进行的实验证明可以用生物膜结块的形式暴露在太空中生存。
日本一项实验证明，在离心机里培养的地球细菌可以在数百代内适应巨大的加速度，其中 Paracoccus denitrificans 能在403627g下正常生长、繁殖。即使不经过适应，大肠杆菌就能承受400000g的加速度。
- 这已经足够承受大质量恒星的表面重力与一定距离上的超新星爆发抛射，在气体行星的大气里生活毫无问题。
大肠杆菌等细菌的代谢会产生氨、二甲基硫化物、氧化亚氮、甲烷等气体。在大气层以氢气为主的行星的吸收光谱中如果检测到若干此类气体，可能表明那里有碳基生命。
参考
- ^ Takumi Ishii, Satoshi Kawaichi, Hirotaka Nakagawa, Kazuhito Hashimoto, Ryuhei Nakamura, "From Chemolithoautotrophs to Electrolithoautotrophs: CO2 Fixation by Fe(II)-Oxidizing Bacteria Coupled with Direct Uptake of Electrons from Solid Electron Sources", Frontiers in Microbiology, 10.3389/fmicb.2015.00994
- ^ Dylan Chivian, Eoin L. Brodie, Eric J. Alm, David E. Culley, Paramvir S. Dehal, Todd Z. DeSantis, Thomas M. Gihring, Alla Lapidus, Li-Hung Lin, Stephen R. Lowry, Duane P. Moser, Paul M. Richardson, Gordon Southam, Greg Wanger, Lisa M. Pratt, Gary L. Andersen, Terry C. Hazen, Fred J. Brockman, Adam P. Arkin, Tullis C. Onstott,"Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth", Science, 10.1126/science.1155495
- ^ 如果人类用航天器将这些细菌送到火星地下，我们就得到了一个有生物圈的星球，其上只有1种活着的生物。这也证明老科幻里经常出现的“单一物种生物圈”在现实中是完全可行的，一些打着科学的旗帜鄙视那些作品的人其实是自己不懂科学。
- ^ https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000457
- ^ https://doi.org/10.1099/ijs.0.02503-0
- ^ https://doi.org/10.1038%2F35038060
- ^ https://doi.org/10.1093%2Fjmicro%2Fdfs062
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