5.2.1 ¿Habrá vida en condiciones extremas?
La visión tradicional es que la vida es delicada y no puede soportar la "fusión del fuego", por lo que deberían sobrevivir en el viento. y el sol para sobrevivir en hermosas condiciones, deben nacer y reproducirse en condiciones soleadas, de temperatura normal, presión normal, aeróbicas y no tóxicas. Sin embargo, los descubrimientos de la década de 1970 cambiaron por completo esta visión tradicional. Esta subversión comenzó con la expedición de Alvin a las profundidades marinas que conmocionó al mundo en octubre de 1977.
En octubre de 1977, un equipo de expedición científica encabezado por el Dr. Bischoff de Estados Unidos y compuesto por geólogos y biólogos de Estados Unidos, Francia, México y otros países tomó la primera sonda de aguas profundas más avanzada del mundo. La misión El sumergible Alvin se sumergió en el Valle del Rift del Océano de Galápagos en la Cordillera del Pacífico Oriental a una profundidad de 2.500 a 2.700 metros para realizar una investigación, y descubrió inesperadamente la biota mágica del fumador negro, una especie que fue descubierta en 1977 antes de octubre de 2018. , los científicos de todo el mundo nunca habían visto un grupo de organismos que vivieran en ambientes extremos. Este descubrimiento conmocionó a todos los pueblos del mundo. Cambió la teoría del origen de la vida en 180°. Este cambio fue el resultado de la colisión de la geología y la biología.
El primer sumergible profundo más avanzado del mundo: el Alvin de Estados Unidos
5.2.1.1 Preludio a la investigación del Ocean Rift
Ocean Rift ——El lugar donde El ascenso del material del manto sólo ha existido en libros teóricos en el pasado. Nadie ha visto nunca cómo luce. Es una "tierra santa" de ensueño para los geólogos de todo el mundo, y todo el mundo quiere "peregrinar" a ella. Si se puede ir a verlo ha sido el sueño de los geólogos durante cientos de años. De hecho, lo que más quiero ver es a los biólogos. Llevan cientos de años debatiendo si hay seres vivos en el abismo de 10.000 metros de profundidad en el océano, pero todavía no tienen ninguna conclusión y todos quieren descubrir la respuesta. al misterio. Los biólogos creen que la revelación del misterio del origen de la vida depende de si se puede abrir la "caja negra" de las profundidades del mar. Sin embargo, la presión en el abismo de 10.000 metros de profundidad en el océano es demasiado alta, con alrededor de 1.100 atmósferas, y cualquier traje de buceo quedaría hecho pedazos.
El tiempo entró en 1952, cuando Piccard y su hijo, profesores de la Universidad Libre de Bruselas en Bélgica, construyeron el sumergible profundo más avanzado del mundo en ese momento, el sumergible Trieste, y los albores de las profundidades. La exploración del mar salió a la luz. Los belgas iniciaron la expedición al océano y abrieron una apasionante y apasionante historia de exploración del abismo oceánico.
Tan pronto como el sumergible belga Trieste salió a la superficie en 1952, la entusiasta Marina de los Estados Unidos se dio cuenta de su valor. En 1958, utilizaron el precio más alto para adquirir estratégicamente el sumergible Trieste y los Piccard, y ese año construyeron el nuevo sumergible Trieste. Este nuevo sumergible de profundidad tiene un desplazamiento de 15 toneladas y puede sumergirse hasta 5.500 metros. En 1959, la inmersión se incrementó a 7.315 metros. En enero de 1960, la Marina de los EE. UU. implementó el plan "Challenger Deep Diving" en la Fosa de las Marianas: el "Proyecto Plancton". A las 8:15 de la mañana del 23 de enero de 1960, el Little Pickard de Bélgica y el capitán de la Armada estadounidense Don Walsh cerraron la puerta de la escotilla de 9 toneladas y dieron un paseo sobre la pared de 2 metros de diámetro y 127 mm de espesor, que puede soportar 1.500 presiones atmosféricas El sumergible profundo se dirigió hacia la Fosa de las Marianas y alcanzó el fondo de la Fosa de las Marianas a las 12:06. La profundidad del agua aquí es de 11.023 metros, la presión es de 1.100 atmósferas, la temperatura del agua es de 3,33 grados centígrados (un poco más de 6.000 metros), está completamente oscuro y el caudal es cero. Pero aquí encontraron un hermoso camarón rojo grande de 30 centímetros de largo y un pez plano de 30 centímetros de largo y 15 centímetros de ancho. En ese momento, al Dr. Picard Jr. y al Capitán Don Walsh casi se les salen los ojos. Después de que se reveló la noticia, muchos biólogos estaban ansiosos por echar un vistazo al abismo del océano.
De 1960 a 1977, los estadounidenses desarrollaron el sumergible Trieste hasta convertirlo en el extremadamente avanzado sumergible Alvin. En octubre de 1977, el Alvin se sumergió profundamente en la falla oceánica de Galápagos en la dorsal oceánica del Pacífico oriental y descubrió la biota del fumador negro con la que nadie había soñado jamás. Ha comenzado una investigación exhaustiva y en profundidad del valle del rift oceánico.
5.2.1.2 Biota de Chimeneas Negras
Todos hemos visto las chimeneas negras en las fábricas. Sin embargo, ¿creerías que hay chimeneas negras en la grieta del océano en el abismo de 10.000 metros?
(1) Chimeneas negras en las profundidades del mar. En octubre de 1977, cuando el Alvin se sumergió en el Ocean Rift de Galápagos, los investigadores sacudieron la cabeza vigorosamente y parpadearon vigorosamente, tratando de asegurarse de que lo que veían frente a ellos fuera un fantasma. Había humo denso y muchas chimeneas. ¿Son "fábricas militares ultrasecretas" construidas bajo el océano? Estas son las increíbles chimeneas negras en la grieta del océano que nadie había imaginado antes.
Chimeneas negras en el fondo del océano
(2) Cómo se forman las chimeneas negras. El agua de mar en el fondo del océano penetra en las profundidades de la tierra a través de grietas en el fondo del océano, se calienta y disuelve los materiales circundantes y forma una "sopa espesa" rica en sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, metano y otros gases, sulfuros metálicos. , oro, plata, platino, etc. fluido hidrotermal. Luego surgen de las fisuras oceánicas. Cuando estas "sopas" de alta temperatura brotan de las grietas del fondo del océano y se encuentran con agua de mar fría, se forma un espeso humo negro. Los sulfuros metálicos y las soluciones de oro, plata, platino y otras soluciones en el humo negro se condensaron y acumularon alrededor del respiradero debido a la disminución de la temperatura, formando la chimenea negra. Un grupo de chimeneas negras de las que salía un humo espeso. Las chimeneas negras tienen entre varios metros y decenas de metros de altura, generalmente entre 2 y 5 metros, su diámetro es entre decenas de centímetros y varios metros, generalmente entre 2 y 3 metros; su vida útil es generalmente de 20 a 30 años;
Fumador negro de aguas profundas
Diagrama esquemático de la formación del fumador negro
5.2.1.3 La estrella de la biota del fumador negro: el insecto antorcha
Dang Cuando los científicos a bordo del Alvin se acercaron a la chimenea negra, apareció una visión aún más peculiar: vieron que la chimenea negra estaba llena de "antorchas". Cuando miraron más de cerca, resultaron ser criaturas que parecían antorchas, una criatura que la gente nunca había visto antes. La gente los llamaba cariñosamente insectos antorcha. Más tarde, después de una detallada investigación en interiores realizada por biólogos, se le dio el nombre de Riftia pachypilat, un gusano con forma de tubo que pertenece a la clase Polychaeta del filo Annelida. Aunque la chinche de la antorcha pertenece a la familia de los gusanos, es diferente de todos los miembros de la familia. Es un "patito feo", una criatura extraña, y particularmente extraña: no tiene boca, ni intestinos, ni ano. La longitud del cuerpo de las chinches de antorcha es generalmente de 1,5 metros (la más larga es de 3 metros) y el diámetro del tubo es generalmente de unos 37 mm. Se divide en 3 partes: cabeza, cuello y percha. La cabeza está expuesta fuera del tubo de posado y es de color rojo. Sus plumas tienen la función de respirar. El cuello es como un pañuelo, que fija la chinche al tubo de posado. El tubo de posado es quitinoso y blanco. raíz" está fijada en el tubo de descanso. En la chimenea negra. La biomasa de las chinches de las antorchas puede llegar a 176 individuos/m2.
chinches de antorcha
5.2.1.4 El entorno de las chimeneas negras: el entorno de vida de las chinches de antorcha
Las chinches de antorcha con forma de flores crecen junto a las chimeneas negras. Tan denso, Como un arbusto de flores, ¿es un "paraíso" bajo el mar? Echemos un vistazo más de cerca al entorno de los fumadores negros.
Cuando el fluido hidrotermal emerge por primera vez de la chimenea negra, la temperatura alcanza los 350 ~ 400 grados Celsius y el valor del pH de la solución en la boca de la tubería es 3 ~ 4 (a veces hasta a 2,8, o incluso 1); el fluido hidrotermal contiene gases tóxicos altamente concentrados (19,5 mmol/L), como sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, metano y otras soluciones de sulfuro metálico altamente tóxicas, como sulfuro de cobre, sulfuro de plomo, sulfuro de zinc, sulfuro de hierro, sulfuro de cobalto, sulfuro de níquel, etc.; También contiene soluciones metálicas como oro, plata, platino y otras soluciones. La presión en la capa de agua llega a 250 ~ 270 atmósferas, el contenido de oxígeno es cercano a cero y la luz es cero. Por lo tanto, el entorno de un fumador negro es un entorno extremo inimaginable de alta temperatura, alta presión, alta acidez, alta toxicidad, alta deficiencia de oxígeno y alta deficiencia de luz de por vida. La visión tradicional es que no existe absolutamente ninguna posibilidad de que existan seres vivos en este entorno. Entonces, ¿qué tiene de "sagrado" el insecto de la antorcha? ¿Cómo puede sobrevivir en un ambiente tan extremo?
5.2.1.5 La extraña forma de vida del insecto de la antorcha
La temperatura en El hábitat del insecto antorcha puede alcanzar más de 80 grados centígrados.
Dentro de la perca está su tronco, y dentro del tronco está el trofosoma (los órganos del cuerpo trófico y el sistema circulatorio cerrado). Hay miles de millones de bacterias viviendo en el endotelio del trofosoma, hasta un millón por mililitro, y la masa de bacterias puede representar el 60% de su peso corporal. Son bacterias quimioautótrofas termófilas, amantes del sulfuro de hidrógeno (quimiosíntesis), y la temperatura en el hábitat es exactamente su temperatura óptima de crecimiento y reproducción. Las bacterias quimioautótrofas utilizan la energía térmica y el oxígeno de la chimenea negra para oxidar el H2S y liberar energía química, y luego utilizan esta energía química para convertir el CO2 y el H2 en carbono orgánico, que puede suministrarse directamente a los insectos de la antorcha como nutrientes. es el siguiente: H2S CO2 O2 H2O→CH2O (carbono orgánico) S. Sin embargo, todavía hay muchas preguntas que nos desconciertan.
Pregunta 1: ¿Cómo ingresan al Trofosoma el H2S, O2 y CO2 requeridos por los miles de millones de bacterias que viven en el Trofosoma? Resulta que el insecto antorcha tiene una estructura vascular y una estructura similar a un corazón. Consiste en un sistema de circulación cerrado, en el que fluye el líquido de la cavidad corporal que contiene hemo, que puede absorber y transportar H2S, O2 y CO2. Estos gases fluyen continuamente hacia la columna mediante la columna que oscila en la cabeza junto con el flujo de agua. , y son absorbidos por la columna. Los lechos capilares de la columna lo absorben, ingresan al líquido celómico ("sangre") y luego lo transportan al trofosoma, donde es "devorado" por los miles de millones de bacterias que viven dentro del penacho. Trofosoma.
Pregunta 2: ¿El H2S que ingresa al cuerpo del insecto de la antorcha envenenará al insecto de la antorcha No. Porque los insectos antorcha tienen un mecanismo de desintoxicación único. Cuando la "sangre" que contiene H2S fluye a través del tejido que puede resultar dañado por el H2S, las moléculas de agua en la "sangre" atraparán rápida y firmemente el hemo, de modo que el H2S y las células del tejido no puedan estar en "estrecho contacto" y estén protegidas. de ello.
Pregunta 3: ¿El S libre producido durante la producción de carbono orgánico dañará a los insectos de la antorcha No. Porque hay una proteína especial en el cuerpo del gusano antorcha que puede unirse al S libre, y también hay un sistema enzimático especial en la pared del cuerpo que puede oxidar el S libre en las células. Por tanto, tiene un efecto desintoxicante de la S libre.
Pregunta 4: La vida útil de las chimeneas negras es muy corta. "Si la piel no está allí, ¿cómo se adherirá el pelo?" ¿Cómo transmiten los insectos de la antorcha su linaje familiar? La función de las chinches antorcha es liberar una gran cantidad de esperma y óvulos en el agua para su fertilización. Los huevos se convierten en larvas que flotan con las corrientes oceánicas y se asientan cuando encuentran nuevas chimeneas negras. Las chinches antorcha tienen características selectivas: crecen rápidamente, maduran sexualmente rápidamente y se reproducen rápidamente después de "asentarse" en nuevas chimeneas negras. Esta es la forma de vida de los insectos antorcha en ambientes tan extremos.
5.2.2 Formas de vida extremas
5.2.2.1 Formas de vida extremas extrañas
Los seis máximos extremos (alta temperatura, alta presión, alta acidez) en el chimenea negra Entre los factores ambientales, los últimos cinco máximos (alta presión, alta acidez, alta toxicidad, alta hipoxia y alta deficiencia de luz) no son muy diferentes para muchos organismos de la chimenea negra. Lo que más llama la atención aquí es la diferencia de temperatura en la que viven, cada una más extrema que la anterior.
La temperatura de las bacterias del insecto antorcha (bacterias quimioautótrofas que comen sulfuro de hidrógeno) es su temperatura óptima de crecimiento y reproducción de alrededor de 80 grados centígrados, mientras que Pyrococcus horikoshii es de 98 grados centígrados y Aeropyrum pernix es de 100 grados centígrados; El Methanopyrsu kandleri y el Pyrococcus abyssi también rondan los grados Celsius. Pyrolobus fumarii, que se encontró a 26 ° de latitud norte, 45 ° de longitud oeste y 3650 metros de profundidad en la cordillera del Atlántico medio, tiene una temperatura óptima de supervivencia de 106 grados Celsius y su temperatura de supervivencia alcanza los 113 grados Celsius. Lo más sorprendente es que tiene menos de 90 grados centígrados pero no puede sobrevivir.
¡113 grados centígrados es demasiado extremo! No, ¡hay incluso más extremos!
Methanopyrus kandleri
En agosto de 2003, científicos estadounidenses encontraron un fumador negro en la cordillera del Pacífico medio con una A una profundidad de agua de más de 2.400 metros se descubrió una bacteria en algún lugar, y su temperatura óptima de supervivencia era de hasta 121 grados centígrados. Esta temperatura era increíblemente alta y finalmente se la denominó cepa 121. ¿Por qué las bacterias pueden sobrevivir en ambientes tan extremos? ¿Tienen "funciones especiales"?
5.2.2.2 El mecanismo de resistencia al calor de la vida extrema
(1) Porque tienen una membrana celular especial estructura. A medida que aumenta la temperatura de sus membranas celulares, sus lípidos de doble capa sufrirán una reordenación estructural, como una reticulación para formar diglicérido de fitano y tetraglicerol de difitano, lo que hará que la membrana celular se vuelva de doble capa. Es un lípido hidrófilo de una sola capa. evita que la membrana de doble capa se desnaturalice y se separe a altas temperaturas, manteniendo una estructura de capa interna hidrofóbica completa.
(2) Porque tienen componentes especiales de la membrana celular. El contenido de ácidos grasos insaturados con bajo punto de fusión es muy bajo, mientras que el contenido de ácidos grasos saturados de cadena larga, ácidos grasos de cadena ramificada y compuestos de éter de glicerilo con alto punto de fusión es muy alto, y el contenido de glicolípidos también es alto. lo que hace que la membrana celular forme más enlaces hidrofóbicos, estos enlaces hidrofóbicos son como un "cortafuegos" en la superficie de la membrana celular, evitando que el agua a alta temperatura tenga "contacto íntimo" con la membrana celular, de modo que la membrana celular no se destruirá en condiciones de alta temperatura y aún permanecerá activo.
(3) Porque tienen proteínas de alta estabilidad térmica. Sus aminoácidos forman más enlaces peptídicos, tienen un núcleo hidrófobo fuertemente plegado y contienen aminoácidos conservadores, lo que hace que los aminoácidos sean más estables. Contiene éster de fosfato diol, fosfato de digliceril, ácido manosilglicérico y otros ingredientes, lo que hace que las proteínas sean más estables; resistir la degradación por altas temperaturas y permanecer activo.
(4) Porque tienen múltiples formas de expresión proteica. La temperatura por debajo de la temperatura óptima de crecimiento es un tipo de banda; la temperatura óptima de crecimiento y la temperatura por encima de la temperatura óptima de crecimiento son otro tipo de banda, que juega un papel importante en su capacidad para soportar altas temperaturas.
(5)Porque tienen diversas proteínas. Tiene proteínas relacionadas con el metabolismo energético, proteínas relacionadas con la metilación, proteínas relacionadas con la estabilidad cromosómica, proteínas termoestables, proteínas recombinantes, proteínas de choque térmico, etc. Estos juegan un papel decisivo en su capacidad para soportar altas temperaturas.
(6) Porque contienen enzimas termófilas. La temperatura óptima de crecimiento y reproducción de sus enzimas termófilas es de 60 a 120 grados Celsius (algunas pueden sobrevivir durante 1 hora a una temperatura de hasta 140 grados Celsius). Los iones metálicos en los sitios de unión de iones de las enzimas termófilas pueden actuar como puentes como enlaces disulfuro, aumentando la resistencia a altas temperaturas de las enzimas termófilas. Por ejemplo, existe una enzima que contiene iones de tungsteno y que juega un papel muy importante en su capacidad para soportar altas temperaturas.
(7) Porque tienen ADN resistente a altas temperaturas. El tipo estructural de su ADN son moléculas híbridas de ADN-ARN de tipo A. El ADN de tipo A tiene una gran desviación superpuesta entre bases adyacentes, lo que favorece una mayor formación de enlaces de hidrógeno, lo que hace que su ADN sea más estable. La estructura superhelicoidal de su secuencia de ADN también hace que su ADN sea más estable.
(8) Porque tienen un fuerte mecanismo de reparación del ADN. Por ejemplo, tienen un "mecanismo de análisis del contexto genético" y un "mecanismo cromosómico de copias múltiples" que pueden detectar rápidamente el ADN dañado y repararlo de inmediato. También cuenta con reparación por fotorreactivación, reparación de oscuridad, reparación de RecA-RAD51, reparación de uracilo N glicosilasa, reparación de 06-metilguanina-ADN metiltransferasa, etc.
Mapa del ADN humano
Esquema del ADN con estructura de doble hélice
El mecanismo resistente al calor de la vida extrema antes mencionada les otorga una resistencia milagrosa a las altas temperaturas, que Es muy importante para la exploración de la vida. La forma de origen abre nuevas ideas.
5.2.2.3 La importancia del descubrimiento de formas de vida extremas
¿Qué significa el descubrimiento de estas formas de vida extremas?
La visión tradicional es que la El crecimiento de todas las cosas depende del sol. En otras palabras, la energía solar es la fuente de toda la energía biológica, es decir, los organismos de nivel inferior convierten la energía solar (energía inorgánica) en energía biológica (energía orgánica) a través de la fotosíntesis y luego pasan. a organismos superiores a través de la cadena alimentaria. Por tanto, la energía solar es la fuente de toda energía biológica.
Por lo tanto, las primeras formas de vida sólo pueden ser las plantas más bajas, como las algas más primitivas. Esta teoría tradicional es razonable y está bien fundada. Es bien conocida y creída por todos. Ha sido una teoría sólida durante muchos años. Sin embargo, el descubrimiento de la biota del fumador negro y de formas de vida extremas ha desafiado esta teoría. Algunos organismos de nuestro mundo no dependen de la energía solar. Sobreviven "comiendo" otra energía, como las bacterias quimioautótrofas que comen sulfuro de hidrógeno. Están en la biota de la chimenea negra y son el eslabón inicial de la cadena alimentaria: el nodo fuente.
Por lo tanto, el descubrimiento de biota ambiental extrema en fumadores negros de aguas profundas tiene una gran importancia teórica. Rompe la "regla de oro" de que todas las cosas crecen en el sol; comprende los límites de las condiciones ambientales (condiciones físicas y condiciones químicas) para el crecimiento, el desarrollo y la reproducción biológicos; rompe el "marco" del pensamiento sobre la naturaleza; origen de la vida; realiza la comprensión de la vida Un nuevo salto adelante en la investigación del origen. El tiempo teórico para el surgimiento de la vida se adelanta a hace 4.600 millones de años, que es la edad del nacimiento de la Tierra, que es 1.400 millones de años antes que el registro más antiguo de vida encontrado en la Tierra hoy.