本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
大多数微生物研究人员在培养皿中培养微生物，以研究它们的生长方式以及它们如何应对破坏性条件。但是路易斯安那州立大学生物科学系的研究人员正在做一件几乎闻所未闻的事情：在冰冻条件下研究微生物，以了解生物体如何在南极深层永久冻土中，甚至可能在火星冰层下存活数十万年。
“我可以带您沿着走廊走到我们拥有的公共休息室，那里摆满了冰柜，” 布伦特·克里斯特纳说道，他是路易斯安那州立大学生物科学系的副教授，也是一位杰出的南极微生物探险家，他兴奋地俯身在他的办公桌上，向我展示了包裹在冰中的细胞的显微镜图像。“在那些冰柜里有细胞和组织。我们把它们放在那里，因为这实际上是一种保存它们的方法。”
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克里斯特纳的实验室将数千种不同的微生物菌株储存在零下 80 摄氏度的环境中。他解释说，如果将这些微生物从冰柜中取出并放入营养丰富的培养基中，它们实际上可以非常快乐地复活。“但是，如果那些冰柜可以运行一百万年呢？”克里斯特纳问道。“我们实际上预计每年会有一小部分微生物死亡，因为它们是由分子组成的，即使冷冻，也会发生衰变。”
克里斯特纳和他在路易斯安那州立大学的同事，博士后研究员马库斯·迪泽和生物学玛丽·露·阿普尔怀特教授约翰·巴蒂斯塔，最近有一篇关于冷冻微生物 DNA 修复机制的论文被应用与环境微生物学杂志接受。为了了解微生物如何在冰冻条件下生存，克里斯特纳和同事们专注于 DNA，即遗传分子，它编码用于从人类到微生物的生物体发育和功能的遗传指令。微生物 DNA 通常长达数百万个碱基对或单位，通常排列成单个环状结构，编码数千个基因。
“我们知道会发生自发反应，导致该分子受损，”克里斯特纳说。最糟糕的损伤类型被称为双链断裂，即微生物的单个环状“染色体”断裂成两个单独的片段，需要将它们重新组合在一起才能使染色体再次发挥作用。
“这种损伤是我们知道当细胞在冰冻状态下停留数千年时必须发生的，”他说。“想象一下，微生物在冰中停留很长时间，它们的 DNA 被剪切成碎片。实际上，在某个时间点，微生物的 DNA 变得如此受损，以至于它基本上不再是有用的信息存储分子了。所以现在你不再拥有微生物，你基本上拥有了一具尸体。”
对于冰中微生物的寿命来说，情况似乎很糟糕。但奇怪的是，研究人员已经能够复活在冰中埋藏了数十万年的微生物。事实上，克里斯特纳成功地从中国西部青藏高原古里雅冰盖底部附近——75 万年前的冰，远早于人类时代——复活了几种不同类型的细菌。
“不久前，覆盖地球大部分地区的冰冻环境被认为是贫瘠的生命荒漠，”瓦尼亚·米特娃，宾州州立大学教授，《冰雪和冰川百科全书》中关于与冰川相关的微生物的章节的作者说。“在过去的二十年中，这种观点发生了变化，现在我们谈论冰冻圈是一个主要的地球可居住生态系统。”
但是，如何才能从 75 万年前的冰中复活微生物呢？古代冰川冰和永久冻土中微生物的生存传统上归因于它们在休眠、代谢惰性状态下持续存在的能力。但即使是这种解释也无法解释背景电离辐射量，这些辐射几乎肯定会对这些微生物的 DNA 造成损害，无论它们是否冷冻在冰川底部。
“为了生存这么长时间，不同的研究例如指向休眠或‘慢动作新陈代谢’，但无论生理状态如何，如果没有活跃的 DNA 修复，生物体将积累 DNA 损伤，达到导致细胞死亡的程度，”迪泽说。
但是今天，对于冰中微生物奇特的寿命，有一种研究支持的替代解释：“工人”酶，它们甚至在冰冻条件下也能修复 DNA 损伤。
“在您现在的细胞中，实际上有活跃的 DNA 修复酶，即使您没有暴露于高水平的辐射，”克里斯特纳说。他指的是来自我们周围自然和人为来源的背景电离辐射水平，包括氡源、来自太空的宇宙辐射和来自地面的陆地辐射。尽管地球上的背景辐射水平在任何给定时间通常都很小，但您可以想象，即使来自这些微小的背景水平，在冰冻条件下生存数十万年的微生物也会积累大量的损伤。
2007 年，在 60 万年前的永久冻土样本中发现完整的微生物 DNA 后，研究人员提出，活跃的 DNA 修复机制可能正在发挥作用。但与克里斯特纳的团队不同，他们缺乏关于微生物如何在如此不利的冰冻条件下修复其 DNA 的任何具体知识。“如果所讨论的微生物不仅仅处于假死状态，而是实际上具有活跃的新陈代谢，那么一切都会改变，”克里斯特纳说。“现在这听起来在冰中真的很难想象，对吧？”
美国国家航空航天局有一个“追随水迹”的口号，基于一般的想法，即哪里有水，哪里就有生命，细胞需要水才能生长和代谢。但克里斯特纳说，重要的是要记住，即使在冰中，几乎总是存在少量液态水。当我在他的办公室里时，他拉起电脑显示器上的冰晶显微镜图像。冰晶结构看起来像一个不透明的拼图游戏，由大型六边形碎片组成。但克里斯特纳指出了冰拼图碎片边缘和点之间的清晰、狭窄的间隙。
“那是液态水，”他说。“这冰里有水。”
更令人惊讶的是，克里斯特纳展示了相同冰晶的图像，这些冰晶已经用绿色染料处理过，这种染料仅能染色活细胞。冰晶之间的间隙因微小的绿色微生物而变得明亮。
“这个冷冻样本中的生物体实际上正在迁移到冰内的这些水环境中，”克里斯特纳说。“我们实际上从我们所做的其他实验中知道，这些微生物可以在冰冻条件下进行新陈代谢并实际产生新的 DNA。”研究表明，微生物即使在零下 40 oC 及以下的冰点以下温度下也能继续进行代谢活动。
克里斯特纳的最新论文正在将这些结果提升到一个新的水平，表明冷冻微生物不仅可以在冰冻条件下产生新的 DNA，而且可以修复随着时间推移而损坏的 DNA – 甚至包括那些难以处理的双链断裂。克里斯特纳和同事们采集了冷冻（-15 oC）的 北极嗜冷杆菌样本，这是一种最近发现的、从西伯利亚永久冻土中分离出来的适应寒冷的微生物模型生物，并将它们暴露于 DNA 损伤电离辐射剂量，该剂量相当于微生物在永久冻土中 225,000 年内会经历的剂量。作为参考，这种辐射剂量是人类致死剂量的 45 倍。然后，研究人员让微生物在冰冻条件下放置两年，定期检查微生物的 DNA。
正如对不耐辐射的细菌所预期的那样，高剂量极大地破坏了北极嗜冷杆菌的单个环状微生物染色体，由于分子中的双链断裂，将其转化为较小碎片的浆液。令研究人员惊讶的是，在冰柜中放置两年后，微生物的 DNA 片段开始缓慢地重新组合成正确的顺序。
“这不可能是随机过程，”克里斯特纳说。“如果染色体被切成一堆碎片，而细胞要去将它重新组合在一起，它不能随意地重新组合在一起。染色体是有顺序的，为了让生物体存活，它必须以正确的顺序重新组合。这告诉我们，细胞正在修复这种 DNA。”
根据数据，北极嗜冷杆菌似乎能够在冰柜中每年修复 7 到 10 个双链断裂。克里斯特纳说，这些发现很重要，因为我们通常不认为冰冻温度是复杂的生物过程可能发生的条件。
蒙大拿州立大学地球科学系副教授马克·斯基德莫尔说：“结果表明，尽管冰晶中液态脉络网络的温度低至 -15 oC 且盐度高，但某些生物体可以修复其 DNA，从而增强其在冰冷环境中长期生存的能力。”。这些结果支持了斯基德莫尔和克里斯特纳之前的研究，即冰中的液态间隙是可行的微生物栖息地。
米特娃说：“这项研究提供了令人信服的实验证据，证明在冰冻条件下，细胞可以成功修复辐射 DNA 损伤，从而延迟其致命效应并显着延长细胞存活时间。”。“总的来说，这篇文笔流畅的论文肯定会对我们更好地理解地球上以及可能在其他地方的微生物寿命产生积极影响。”
虽然在克里斯特纳的研究之前已经有证据表明微生物在冰冻条件下可能具有非常低的活动水平，但具体来说，它们可能正在做什么来提高它们在这些条件下的生存能力以前只是猜测的问题。
这些发现使得推测，如果生命曾经在火星上进化，并且微生物仍然在地下某处被冷冻，那么如果给予合适的条件，它们可能仍然是可存活的。
“这显然是与在南极洲、深层永久冻土甚至火星这样的地方生存的生物体相关的途径，”克里斯特纳说。“这在天体生物学意义上是相关的，因为如果这些机制在我们的冰冻生物圈中发挥作用，那么微生物可能正在太阳系中其他卫星和天体的冰冷环境中使用这种生存机制。我们对这些结果感到非常兴奋。”
但是，关于嗜冷菌的研究远未结束。虽然克里斯特纳和同事们已经解决了这些长寿命微生物的 DNA 修复问题，但这些细菌如何获得能量来维持数十万年的 DNA 代谢活动的问题仍然存在。未来的研究需要解决这个问题，并研究生活在极端环境中的细菌使用的其他生存机制。
参考文献:
Christner, B. C., Mosley‐Thompson, E., Thompson, L. G., & Reeve, J. N. (2003). Bacterial recovery from ancient glacial ice. Environmental Microbiology, 5(5), 433-436.
Dieser, M., Battista, J.R., Christner, B.C. (Published ahead of print 27 September 2013). Double-strand DNA break repair at -15°C. Appl. Environ. Microbiol., AEM.02845-13, doi:10.1128/AEM.02845-13