有些人就是喜欢滚烫,口味不重都不行!
古菌非常适合高温。这可能是因为它们是在地球比现在更年轻、更热、环境更恶劣的时候进化的。这导致古菌反而无法适应常温环境,甚至需要高温才能生长。
许多古菌不仅能在高温下生长,而且能承受更高的温度。有必要列出一些最极端的环境的例子,以及它们能够生存和生长的温度范围。
嗜热菌 (Thermophile)是一种酷爱热的生物,在50~60°C的温度下生长最好,也能存活于70°C。超嗜热菌 (Hyper-thermophiles,或称极端嗜热菌)在80~90°C左右生长最好,但也能在更高的温度下存活。已发现一些超嗜热菌在120°C以上的深海高压环境中生存于海底热泉 (Hydrothermal vent)附近。嗜热菌和极端嗜热菌的一些例子:
甲烷嗜高热菌属 (Methanopyrus)是一种超嗜热、产甲烷菌。这一类群含有一种在任何其它生物体中都找不到的、独特的细胞膜。这一类群的一个物种 (One species of this group),坎德勒甲烷菌 (Methanopyrus kandleri, M.kandleri),是目前在122°C的最高温度下生长的记录保持者。只有在深海环境中,巨大的压力阻止水在海底热泉沸腾时的流出,水才能达到如此高的温度。
纳古菌属 (Nanoarchaeum)体积非常小,如下图所示,可作为寄生菌 (专性共生)生活在另一种低嗜热 (Hypothermophilic)古菌燃球菌属 (Ignicoccus)上。这两种古菌可在70~98°C之间的温泉和海底热泉中发现。
铁丸菌属 (Ferroglobus)可通过厌氧方式来氧化铁。在地球大气层含氧之前 (地球原始海洋中溶解了大量的亚铁离子/Fe2+),很可能是铁丸菌及其类似的菌属氧化了铁,从而在海底形成了铁沉积层。随着时间的推移,这层铁沉积被留困,现在被视为古代岩石中的带状图案。
岩石中的氧化铁沉积物 (橙色)
硫化裂片菌属 (Sulfolobus)生活在富含硫的酸性环境中,如温泉周围的环境,附着在硫晶体上,氧化硫元素以获得能量,见下图。
脱硫球菌属 (Desulfurococcus)和热网菌属 (Pyrodictium)是严格厌氧的硫还原古细菌,在海洋的海底热泉周围生长。脱硫球菌在85°C时生长最好,而热网菌在105°C时生长最好。
超酸:极端嗜酸菌
已知的一些最耐酸的微生物也是古细菌,其中许多同时也是嗜热的。极热和极酸性环境是最难到达和取样的环境之一,这也解释了为什么从这些环境中分离出的微生物如此之少。以下是一些极端嗜酸菌的例子:
铁原体属 (Ferroplasma)也无细胞壁,但在中等温度下生活在酸性很强的矿井水中。它能分解矿渣中的黄铁矿,甚至可使环境酸化到pH值为0。
超咸:极端嗜盐菌
盐古菌 (Haloarchaea),也称盐细菌 (Halobacteria),是极端嗜盐菌,需要富盐环境才能生存。古细菌物种的名字中通常会有“bacteria” (细菌)。这是在我们知道古菌域与细菌域有多么大的不同之前的“历史遗留”问题。
盐古菌所需的盐含量有时接近水所能容纳的最大盐含量 (32%),而海水只含约2.5%的盐。大多数嗜盐菌都是严格的需氧菌,并从有机物中获取能量。
含盐环境包括用于从含盐溶液和盐田中蒸发水的盐池,通常也是充满海水的区域,蒸发水分以生成海盐。自然含盐环境包括死亡谷 (Death Valley)、死海和碱湖 (Soda lake)。碱湖不仅具有极高的盐度,也具有很高的pH值 (即碱性)。
以下是碱湖中的一些有趣的盐古菌和嗜盐嗜碱菌 (Halo alkaliphiles):
有些盐古菌具有普通的形状,如杆状、球状,而另一些则有非常意外的形状,如方形、杯形盘状。
由于水分子有从低浓度区透向高浓度区的趋势 (即渗透,Osmosis),因此细胞内部必须保持比环境具备更高离子浓度的能力。这种细胞内相容性溶质 (Compatible solutes)的积累是阻止其在高盐环境中失水的唯一因素。盐杆菌属 (Halobacterium)可在其细胞质内积累大量的钾 (K+),以抵消细胞外超高浓度的Na+。
这些微生物很好地适应了含盐量超高的环境,甚至于如果环境中没有非常高水平的钠,便无法生存。钠可以稳定细胞的外部。此外,它们还需要大量的钾,而钾是细胞内蛋白质和其它组分所必需的。
不那么极端的古菌
尽管古细菌在已知的微生物世界中所占的比例要小得多,但对地球化学循环有着巨大的影响。例如,水生和陆地栖息地的许多初级生产者都是古细菌,它们促进了这些地方的碳循环;氨氧化古菌是另一个在海洋氮循环中扮演重要角色的例子,因为它们是硝化 (Nitrification)过程的一部分。
产甲烷古菌是指产生甲烷并生活在缺氧环境中的古细菌,如动物 (和人类)的消化道、水生沉积物、污水及污泥消解池,是碳循环的重要组成,催化有机物分解的最后一步。示例包括:
甲烷杆菌属 (Methanobacterium),其细胞壁含有软骨素类 (Chondroitin-type)物质。软骨素是软骨 (Cartilage)的主要成分。
甲烷短杆菌属 (Methanobrevibacter)。
甲烷八叠球菌属 (Methanosarcina)。
泉古菌属 (Nitrosopumilus),氨氧化海洋古细菌。
这些古菌生活在非极端环境中,包括水生、陆地,甚至北冰洋的极地冰层下。有证据表明它们确实存在,但尚未在实验室中获得培养,也没有一种得到过充分的描述。
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