神奇的嗜極生物(Extremophiles) 09-09-2018

神奇的嗜極生物(Extremophiles)

(1) 1969 年，美國微生物學家湯瑪士‧布洛克（Thomas D. Brock）以及海德森‧弗力茲（Hudson Freeze）從美國黃石公園的溫泉中，發現一種能生長在攝氏70度左右高溫的細菌，命名為Thermus aquaticus。

(2) 此一發現，推翻了當時生化學家根深蒂固認為─蛋白質於超過60℃就會變性(Denature)，因此生命無法在60℃以上高溫存活的觀念。

(3) 消息經媒體披露後，跌破了許多專家的眼鏡！

圖01. Thermus aquaticus嗜極細菌中的酵素，因為能耐高溫而仍具有功能，由其菌內分離出之 DNA 聚合脢 (Taq DNA 聚合脢) 非常適合在高溫下(例如72℃)進行合成。反覆的95℃高溫下，亦不易破壞此酵素，如此才使得聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)技術大為普及，能簡易而大量的複製DNA片段，對許多方面的尖端生物科技功不可沒。

圖02. 能耐70℃高溫的Thermus aquaticus，發現於美國黃石公園的溫泉中。

圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Thermus_aquaticus

(4) 從此生命科學專有名詞中又多了一項：嗜極生物(Extremophiles)，意指嗜好極端惡劣環境之生物，絕大多數為古老細菌。

    有些分類專家將所有生物分成三個領域(Domains)，而許多嗜極生物是屬於古菌領域(Archaea Domain)，三個領域生物的主要差異如表一：

特徵	領域(Domains)
	真細菌(Bacteria)	古細菌(Archaea)	真核生物(Eukarya)
核膜	無	無	有
膜狀胞器 (如高基氏體等)	無	無	有
細胞壁是否具有 胜肽聚糖	有	無	無
細胞膜上的磷脂	不分枝	有些分枝	不分枝
RNA聚合酶	僅一種	一種以上	一種以上
蛋白質合成(轉譯)的起始胺基酸	醛基甲硫胺酸(Formyl-methionin)	甲硫胺酸(Methionine)	甲硫胺酸(Methionine)
對抗生素敏感度	受抗生素抑制	不受抗生素抑制	不受抗生素抑制

(5) 多數古細菌都棲息在地球上極端的環境裡，古細菌又分三類：

A.  甲烷菌(Methanogens)

B.  極嗜鹽菌(Halophiles)

C.  極嗜熱菌(Thermophiles)

圖03. 生物的演化樹。

圖片來源：http://www.davidmoore.org.uk/Assets/Deciphering%20Fungal%20Morphogenesis/chapters/chapter1.html

(6) 本文僅介紹一類嗜極生物，一種非常非常神奇的古細菌：

(7) 話說從頭，1994年科學家以太空雷達高度計(Space Radar Altimeter)測得，在南極東邊～3.6公里的冰層下，有一個230公里長×50公里寬的大湖。

圖04. 1994年科學家在義大利羅馬舉行的SCAR會議中報導，以太空雷達高度計(Space Radar Altimeter)測得，在南極東邊～3.6公里的冰層下，有一個230公里長×50公里寬的大湖。

圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/Discovery-of-the-Lake-Vostok-in-Antarctic-and-its-view-from-space-radar-altimetry-from_fig2_268364364

(8) 1998～1999年之間，美國國家太空總署(NASA)於南極3.6公里厚的冰層下之Vostok湖泊的冰中，發現了一些嗜極生物！

(9) 各位網友一定有個疑問，太空總署不是專門探索神祕的外太空嗎？為什麼到南極冰層去做發現古菌的實驗呢？

圖05. 美國國家太空總署（NASA）在南極洲VOSTOK湖冰層中發現的古菌！

圖片來源：http://earthsci.org/education/Lake_Vostok/vostok.html

圖06. 1999年10月10號，美國頂尖的綜合科學期刊〈科學〉，一篇研究論文上顯示的用不同方式照得的微生物。標本取自南極冰川下的Vostok湖。

上兩子圖是以螢光顯微鏡拍攝；下兩子圖是以掃描式電子顯微鏡拍攝。

圖片來源：http://science.sciencemag.org/content/286/5447/2144/tab-figures-data

Microorganisms in the Accreted Ice of Lake Vostok, Antarctica

Science  10 Dec 1999:
Vol. 286, Issue 5447, pp. 2144-2147
DOI: 10.1126/science.286.5447.2144

Lake Vostok, Antarctica    (南極 Vostak湖) 位於南極冰層之下～3600公尺的湖泊，實在神奇！ https://www.youtube.com/watch?v=_GPZPQ-bGIo

圖07. 美國國家太空總署(NASA)在南極洲鑽探到深冰層，於Vostok Lake採集到嗜極生物的標本。

圖片來源：

http://www.mentalfloss.com/blogs/archives/40248

　　　　

(10)          美國國家太空總署在南極探勘的主要原因：是因為他們的天文生物學家  

        長期以來認為，距離木星（Jupitor）第二遠的衛星，直徑3136公里的

        歐羅巴衛星(Europa)很可能存在著生命形式，因為在它相當厚的冰層

        之下有一個巨大的海洋，裏面或許存活著地球以外的生命。

(11)          雖然目前美國國家太空總署（NASA）全力的致力於火星的探索，但是並  

        沒有忘記對木星的冰封衛星—歐羅巴的關注，NASA計劃於2021年向歐 

        羅巴發射探測器。

(12)          NASA擬定了一項稱為“快帆”探測器的計劃，該探測器將環繞歐羅巴

        飛行，研究它的冰層以及冰層下的海洋。這架耗資20億美元的無人探

        測器，預計於2021年發射，作為未來的登陸器做先前的探測工作。

(13)          天文生物學家認為，在歐羅巴(Europa)厚達100公里的冰層之下，隱藏

        著一片巨大的海洋。這個巨大的海洋的海床上，很可能具有1977年發

        現於太平洋中洋脊附近的深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent    

        Ecosystem)，理由如下：

A. 歐羅巴(Europa)是很靠近木星(Jupiter)的衛星，而木星的直徑約是地球的11倍(木星直徑142,984 km；地球直徑12,756 km)，因此能產生很強大的引力，然後會在歐羅巴衛星形成潮汐作用。 B. 就好比月球影響了地球海洋的潮汐一般，差別是月球(月球直徑3,476km)產生的引力比起木星小得太多了，所以木星對歐羅巴衛星產生的潮汐作用，大到能使歐羅巴衛星核心岩石溶解形成岩漿。 C. 木星的引力能引起強大的潮汐作用証據在於，離木星最近的一顆大型衛星埃歐(Io)也是因為受到木星潮汐作用的影響，不只核心形成了岩漿，還在Io衛星表面引起火山爆發，火山爆發的規模之大，在離Io一百公里外的太空都能偵測到火山灰。 D. 天文學家認為Io是太陽系火山活動最猛烈的星球，原因就是木星提供的能量。 E.  很可能在歐羅巴衛星岩漿與冰層交界處，冰融化而成海洋，而且說不定是個生氣蓬勃充滿生命的海洋呢！

圖08. 木星的衛星─歐羅巴(Europa)，天文生物學家認為直徑3136公里的歐羅巴衛星(Europa)，很可能存在著生命形式。

圖片來源： http://www.wolaver.org/space/Europa.html

(14)          木星的歐羅巴(Europa)衛星，是天文生物學家認為是太陽系除了地球以

        外，最可能存在生命的星球，所以美國國家太空總署(NASA)才會在與歐

        羅巴(Europa)環境相近似的南極冰層中尋找嗜極生物。

圖09. 國國家太空總署（NASA）在南極洲最大的冰下湖泊─VOSTOK湖冰層下方3590公尺處，發現的古菌。

圖片來源：http://www.wissard.org/stewardship

圖10. 在南極洲VOSTOK湖冰層下方3590公尺處，發現的古菌種類。