生命如何在地球最冷之地生存:改变生物化学特征

新浪科技讯 北京时间7月14日消息，人们喜欢温暖，但许多动物的一生都在寒冷中度过。为了在严寒中生存，它们不仅改变了生物化学特征，甚至改变了外形。

南极大陆上，在南极点以西400英里（约合644公里）的地方，存在着一个已经12万年没有被阳光照射过的湖泊。这个湖的名字叫惠蓝斯湖（Lake Whillans），深度只有2米，在一个山峰斜坡上延伸了近60公里。它被困在冰面以下800米处，来自地球内部的热量使湖水保持液态。

2013年，科学家花了7天时间钻透了湖面上的冰层，发现在这片完全黑暗的环境中，生存着一个繁盛的、由单细胞生物组成的群落。这些生物从冰层下方的岩石上获取能量。这一发现预示着生命也可能存在于太阳系中其他星球——如木星的卫星欧罗巴——上类似的冰湖中。

惠蓝斯湖的微生物群落是地球生命忍耐寒冷环境的例子之一。许多生物发展出了不同的应对寒冷的方法，它们所处的低温环境有的甚至在几分钟内就能致人死亡。

南极洲并不是唯一寒冷的地方。事实上，生物圈中有80%的地方常年温度在5℃以下。这听起来有点不可思议，但海洋的体积比陆地上可生存的空间确实大太多了。如果你潜到表层海水以下，就会立刻被寒冷所包围。这意味着，地球生命有大量的时间和机会适应寒冷。导致的结果就是，相比其他极端环境中的生物，耐寒生物的数量更多，分布更广，也更加多样。

南极洲保持着地球上最寒冷的记录：1983年，苏联的东方站曾经记录到﹣89.2℃的低温。南极是一片贫瘠的冰冻荒原，其海岸区域的温度相对温和，夏季接近冰点，冬季则在﹣10℃到﹣30℃之间。真正的严寒出现在南极洲中部，这是一大片高原，夏季这里的温度勉强会达到﹣20℃以上，而冬季的月平均气温则在﹣60℃以下。

南极不仅是地球上最冷的地方，也是风最大的地方之一。1972年7月，在法国的迪蒙·迪维尔站，曾经记录到320公里每小时的风速。极端的冷风意味着那里的动物要能承受严重的脱水。

无论如何，生命依然在坚强地活着。2014年，科学家在一个由古代冰川造成的大坑中，发现苔藓丛中生存着一个新的水熊物种。这是一种极其微小的动物，外表看起来就像是蠕虫和潮虫的杂合体。

为了在这片寒冷的大陆生存下来，动物、植物和细菌等都要面临许多挑战。温血动物需要消耗大量的能量来保持体温，这要求它们摄取大量的食物。然而，寒冷的地方缺乏温暖的阳光，也就意味着更少的光合作用和更少的植物，而这正是所有食物链的基础。

与此同时，冷血动物需要依赖极少的阳光，以保持身体机能的运行，这使它们在严寒中不得不面临冻死的风险。低温甚至会改变动物细胞和分子工作的方式。在寒冷环境中，围绕着所有细胞的脂质细胞膜的流动性会降低；酶的功能变得不那么完善；水分会冻住，凝结成的冰晶会刺破和毁坏细胞。而且，寒风会使细胞变得干燥，高剂量的紫外线辐射也会改变构成生命基础的DNA分子结构。

为了应对这些挑战，南极的动物演化出了许多保持温暖的方法。大部分温血动物会长得又大又圆。海豹和企鹅都具有较大的体积/表面积比值，能够减少皮肤的热量丧失。企鹅通过“抱团取暖”，即组成小的群体来进一步减少表面积。在南极洲，所有的大型动物都是肉食性的，因为相比植物，肉是一种更加浓缩的能量来源。

尽管有这些适应性特征，生活在南极依然相当有风险。这里的气候如此不适合生存，这些动物为什么会选择这里呢？答案就隐藏在南极周围的海洋之中。

上升流会将富含营养物质的深海海水带到表层，在夏季这意味着一场盛宴。阳光会24小时照射海面，浮游植物则源源不断地进行着光合作用。以浮游植物为食的是一种小型甲壳动物——磷虾，它们反过来成为许多南极动物的主要食物来源。

对那些能够捕食磷虾的动物来说，夏季的南极海域是取之不竭的。一头成年蓝鲸每天可以吃掉6吨的磷虾，并持续数周。南极洲的动物几乎全部是依靠海洋为生，只有一个例外。

这是一种没有翅膀的摇蚊：南极蠓（ Belgicaantarctica）。这种南极特有的昆虫生活在南极半岛的岩石上。如果排除大型动物身上的寄生虫，那南极蠓将是南极大陆唯一的昆虫。

南极蠓承受住了各种极端条件的考验，包括极端低温、缺水、强烈的紫外线和大风等。它们能忍耐接近冰点的气温，在两年的生活史中，它们大部分时间以被冰包裹的幼虫形式存在。只有在温暖的夏季月份（从12月到1月）它们才会出现，而如果发生气温骤降的情况，它们会进入持续数星期甚至数月的“昏迷”状态。

南极蠓没有翅膀，这使它们免除了被大风吹袭的烦恼。它们体型微小，只有约13毫米，这意味着它们在寒冷过后能迅速地温暖身体。

此外，南极蠓还具有目前所测得的最小的昆虫基因组，只有9900万个DNA“字母”，而人类的基因组字母数是32亿。与大多数动物不同，南极蠓的DNA只有很少的重复序列，这种经济的安排或许有助于它们生存。南极蠓还具有专门对付有害化学物质的基因，这些化学物质被称为“活性氧”，能够损害细胞和DNA。许多动物通过开启基因中的部分序列，生成抗氧化剂来对抗活性氧，而在南极蠓幼虫体内，这些基因一直都处在开启状态。

相比陆地上的艰难生活，海洋中的生活显得更容易一些。南极周围的海水通常比陆地温暖一些，常年水温在﹣2℃到2℃之间。当天气变得异常寒冷的时候，海豹和企鹅等动物经常会退到海水中。

然而，跳入大海有时是很冒险的。企鹅、鲸类和海豹需要主动地将体温维持在35到42℃之间。水的导热率比空气高25倍，因此在水里散热的速度会比在陆地上快得多。

为了保持体温，海豹、企鹅和鲸类都具有厚厚的皮下脂肪层，能有效地防止热量散失。如果你测量它们的皮肤温度，会发现与周围海水温度几乎一样，而在脂肪层以下几厘米的血管中，温度维持在35到42℃之间。这些动物还能关闭鳍肢和脚上的血管，将血液从体表转向身体核心区域，停止热量发散。它们也因此能在寒冷的海水中存活下来。

南极的鱼类具有能对抗低温的特殊酶，许多种类甚至在血液里具有抗冻剂。这些抗冻的化学物质由糖蛋白组成，能环绕在动物血液中形成的冰晶周围，使其尖端无法刺破细胞膜。

不过，抗冻蛋白一般只在南极海域表层会与浮冰接触的鱼类中存在，而生活在海洋深处的鱼类不会在血液中出现冰晶。这些深海鱼类是“过冷”（supercooled）的，尽管周围海水温度低于血液和组织的冰点，但它们的身体不会冻结。

如果你将这些鱼类带到海面附近，它们体内形成的第一块冰晶会像种子一样，导致越来越多的冰晶形成，使它们立刻被冻死。诸如此类的适应特征显示，南极海洋中的生命不仅丰富，而且多样。

在干燥的内陆，情况就完全不同了。南极的干燥山谷是地球上最寒冷、干燥的荒漠。这里唯一的生命是细菌。许多细菌生活在被称为“hypoliths”的半透明岩石下方，这能使它们免受极端恶劣环境的摧残。

极端的寒冷会威胁细菌的细胞。它们的细胞膜由脂肪构成，在低温下会变得坚硬，从而阻碍关键分子输入和输出细胞。冰晶也会在细胞内部形成，导致细菌的酶活动变得缓慢。

更加隐蔽的是，气体在低温时变得更易溶解。气体本身是无害的，但如果溶解在细胞液中，就会转化为有害的活性氧，从而损害细胞和DNA。“细菌发展出了许多不同的策略来应对这些挑战，”南非比勒陀利亚大学微生物学家Pieter de Maayer说，“它们的细胞膜含有更多的不饱和脂肪酸，能在低温时保持流动性。它们还能产生不同的形式的蛋白质和酶，在低温条件下也能发挥功能。它们还开启了与对抗活性氧有关的基因，制造出保护DNA免受低温损伤的蛋白质。”

南极的细菌还能制造出一系列特殊分子作为低温保护剂，包括甘氨酸和蔗糖分子等。细胞内的抗冻蛋白也能阻止冰晶的形成。还有一些细菌只是寻求避开最坏的环境，它们会生活在盐水洼中，那里高浓度的盐水能避免结冻。

一些海洋中的细菌能产生气泡围绕自己，依靠气泡移动到更加温暖的区域。当气温过低时，有的细菌会进入休眠状态，所有的化学反应都停止，而当气温上升时它们又马上复苏。

南极洲的寒冷已经持续了数百万年，那里的生命也已经完全适应了这种寒冷。然而，由于人为原因导致的气候变化等因素，南极也在逐渐变得温暖起来。对一些细菌来说，这可能是一个好消息。“即使许多微生物能在寒冷环境中生存，但其中会在温和环境中活得更好，”de Maayer说，“举例来说，冰盖上的细菌会经常处于冰冻—融化的循环中，它们必须开启某些基因，以产生与低温生存有关的蛋白质和酶，并关闭不必要的基因，以节省能量。当温度上升的时候，这种模式可能会反转过来。”

另一些细菌可能就会遇到麻烦了，因为它们只有在寒冷环境中才能生存。“这些细菌大部分来自海洋，那里的温度一直保持在很低的状态”，de Maayer说道。一部分细菌可能会移动到海洋的更深处，那里的温度可能会相对稳定；而另一些可能就要进入很长的休眠期才能存活。

 “这些细菌中有很多会通过产生孢子，或进入休眠状态来应对温度上升，但它们此时已经停止了新陈代谢，基本上进入了低能量消耗的生存模式，” de Maayer说，“通过这种方法，它们能在温度上升的环境中生存，直到下一个冰期到来时才会活跃起来。”

对于动物而言，前景就没有那么美妙了。它们无处可去，因为最近的大陆——非洲和南美洲——已经被完全不同的物种所占据。以皇帝企鹅为例，2014年的一份研究对已知45个种群在本世纪的走势进行了分析，预测到2100年时，所有的种群都会出现数量减少的现象，总的数量减少预计将达到19%。

对人类来说，南极显得严酷而危险——即使我们也能发现它的美丽；但是对皇帝企鹅和南极蠓等动物来说，这是它们唯一的家园。(任天)