▎药明康德内容团队编辑

五一小长假,你出去旅游了吗?许多人抓住这难得的假期,背上行囊外出游玩,各色景区里游客摩肩接踵。

对比现代熙攘的城镇,大自然的鬼斧神工永远令人心动。在美国,黄石国家公园就是许多人的度假首选之一,无论是被细菌染得五彩斑斓的大棱镜热泉、如劈开山脉彩缎的黄石河、还是银链似瀑布湍急奔泻的黄石大峡谷,壮丽华美的黄石公园不断吸引着一波波心驰神往的游客。

打开网易新闻 查看更多图片

黄石公园(图片来源:123RF)

这些艳丽动人的颜色带给人类的不仅是美学上的赏心悦目,它们还引发了一场重要的科学探索,对人类的科学、技术、社会产生了深远影响。1960年代,一位微生物学家在黄石公园的发现,最终启发分子生物学家带来了一种变革性的技术——PCR。

旅途中的发现

1964年,研究细菌的微生物学教授Thomas Brock在度假期间驱车前往黄石公园。根据他的回忆:“我下车时,碰巧赶上护林员在一个碧莹莹的热水池旁讲解。他说热泉美丽的颜色是因为蓝细菌(blue-green algae),我立刻来兴致了。”

Brock教授非常好奇这种微生物怎么能在这么高的温度生存——要知道,黄石公园许多热池的温度甚至超过了水的沸点。他发现原核生物即使在沸水中也能茁壮成长。这些原核生物附着在温泉岩石般的墙壁或卵石上,有时它们缠绕在一起的长细丝堆积在河道底部。

▲从黄石公园高温水流中采集到的细菌可以快速生长(图片来源:参考资料[3])

在黄石公园的发现让Brock教授的研究重心转向了生活在高温中的微生物。1965-1971年持续的野外工作中,Brock教授从火山口的许多热池、间歇泉池、蒸汽出口中采集了生物样本。他和同事在这些极端高温的环境中均发现了微生物,包括之前未知的物种,Brock教授把这种微生物命名为“水生栖热菌(Thermus Aquaticus)”

生命的上限温度

接着,Brock教授将他的采样地点扩大到全球各地的温泉池,结果仍是一样的,有微生物生活在这些极端炎热的环境中。令人惊讶的是,除了生活在沸水中,这些微生物的生长速度快得惊人:一个种群可以在2小时内翻倍

之前的科学研究表明,这种极端环境无法维持生命。而Brock教授决定推翻这一认知,开辟一条全新的科学研究路线。

1967年,Brock教授在《科学》上发布了一篇突破性的论文,推断“不存在生命的上限温度”

打开网易新闻 查看更多图片

▲Brock教授1967年发表在《科学》上的论文(图片来源:参考资料[3])

这个结论挑战了当时人们有关生命基本条件的科学认知:即有机体可存在的温度环境是有范围的。此后,世界各地的微生物学家开始尝试在极端条件下寻找其他微生物。他们发现许多微生物可以生活在拥有极端温度(高温或寒冷)、干旱或酸碱等极端环境中。科学家们把这些微生物统称为“极端微生物(extremophiles)”。

事实上,Brock教授在黄石公园的发现拓展了医学细菌学的领域,点亮了微生物生态学的领域

深远的影响

有人说,生物学可以被划为两个时代:一个没有PCR,一个有PCR

20世纪80年代末,生物化学家Kary Mullis博士在寻找一种更好的方法研究DNA分子。在他的试管反应实验中,他需要一种酶来复制数百万个单一的DNA分子。这种酶必须能在高温下工作,Mullis博士在汗牛充栋的浩繁卷帙中寻找方法。其中,Brock教授采集并保存在菌种库的“水生栖热菌”样本启发了他

Mullis博士和同事立刻买了一堆水生栖热菌培养,并从中获得了Taq聚合酶(Taq polymerase)。酶的耐热性使Mullis博士能够快速廉价地复制基因并确定其独特的化学序列。基于Taq酶的测试过程被起名为聚合酶链反应(PCR, Polymerase Chain Reaction)。Mullis博士因为发明PCR荣获1993年的诺贝尔化学奖。

相关阅读:PCR之父去世了,我们很怀念他(图片来源:诺贝尔奖官网)

PCR技术对现代生物学的重要性无须多言,为科学与社会开辟了许多前景。通过PCR可对基因进行测序,使科学家能识别物种并建立进化关系;基于基因信息的医学诊断与治疗建立在PCR的基础上;警察和法院也依赖PCR来识别罪犯、确定亲子关系、以及解决其他复杂问题;最近环境学家还在使用PCR和其他DNA技术来跟踪污染、监测生态系统的健康以保护物种。

大自然的启示

其实,我们对生命能在沸水中茁壮成长感到惊讶,是因为我们的人类中心主义倾向。 的确,人类和其他动物对热非常敏感,但是复杂神奇的生物世界比我们从经验中认识到的更加多样化。 生命,尤其是原核生命,能够适应对人类致命的环境条件。

许多科学家认为,我们所知的生命最初可能出现在大约30亿年前的高温环境中,因此地球上最初的生物可能是嗜热生物。这样的嗜热生物就会继续在地球上存在,在继续点缀地球的温泉热池中寻找庇护所。此外,这些嗜热生物可能是所有其他生命形式的先驱,也包括人类。

Thomas Brock教授(图片来源:参考资料[4];Credit:University of Wisconsin–Madison )

在2018年的一次电话采访中,耄耋之年的Brock教授提及黄石公园非凡的自然美景,笑道:“我很幸运能够在这个星球上最令人兴奋的地方之一做十年的研究。” 就在不久前,Brock教授逝世,享年94岁。

在未来的日子里,大家享受心旷神怡美景的同时,不妨可以多花时间认真观察瑰丽的大自然,动一动脑筋。地球不断以各种方式给我们人类启示,说不定发现下一个科学突破的人就是你

参考资料:

[1] Microbiologist Thomas Brock Dies at 94. Retrieved April 23, 2021, from https://www.the-scientist.com/news-opinion/microbiologist-thomas-brock-dies-at-94-68708

[2] Discovering Life in Yellowstone Where Nobody Thought it Could Exist. Retrieved from https://www.nps.gov/articles/thermophile-yell.htm

[3] Thomas D. Brock. Life at High Temperatures (1967) Science Doi:DOI: 10.1126/science.158.3804.1012

[4] Tom Brock, who discovered world-changing extremophiles, dies at 94. Retrieved May 3 2021 from https://news.wisc.edu/tom-brock-who-discovered-world-changing-extremophiles-dies-at-94/

本文来自药明康德内容微信团队,欢迎转发到朋友圈,谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求,请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求,请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。

新冠病毒专题

官方命名 | 不是人造病毒 | 戴口罩管用 | 复杂的基因组产物 | 受体结合能力 | CRISPR检测技术 | 出现症状就晚了 | 突破人体防线 | 感冒福利 | 大羊驼的抗体 | D614G突变 | 死亡率下降 | 肺部炎症

癌症突破

抗癌疫苗 | 癌症地图 | KRAS | 酒精 | CAR-T 2.0 | 单细胞CAR-T | 外泌体 | 白血病免疫疗法 | 膳食纤维与肝癌 | 中年危机 | 液体活检 | 化疗与癌症转移 | 抽烟喝酒要不得 | 癌症转移 | 癌细胞变脂肪 | 自噬反应 | 钾离子 | PD-L1远程攻击 | CAR-T安全性 | 染色体外DNA | 癌症全基因组 | 肿瘤内的细菌 | 抗氧化成分 | 老年血液

智慧之光

大脑逻辑 | 母爱 | 脑细胞 | 阿兹海默病血检 | 孤独 | 可乐 | 生酮饮食 | 阿尔茨海默病病毒假说 | 大脑抗衰老 | 麦克阿瑟天才奖 | APP蛋白 | 畅游大脑 | 细菌感染假说 | 睡眠与心血管疾病 | 电击提高记忆力 | 明星抗抑郁药 | 重新定义生死 | 脑机接口 | 分子蓝图 | 不睡会死 | 突破血脑屏障 | 清除困意

热门前沿

膳食纤维 | 人工智能 | 耐寒 | 维生素D | 脂肪治疗 | 细菌耐药 | 性别逆转 | 延年益寿 | 细胞分裂 | 减肥新方 | 单染色体酵母 | 吃不胖的方法 | 精准医学 | 单性生殖 | 胚胎发育 | 基因疗法 | 蚊子吃减肥药 | AI医生 | 长寿天然分子 | 细胞排除垃圾 | 大道至简 | 吸猫 | 太空旅行 | 打印器官 | 全新抗生素 | 压力催生白发 | 吃不胖的基因 | 病毒基因 | 无情的科研机器 | 饭后不适 | 完全降解的塑料 | 压力致头秃

打开网易新闻 查看更多图片