對(duì)于石生微生物，科學(xué)家一直在不斷地發(fā)現(xiàn)并逐漸深入。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，早期的研究一直側(cè)重于其群落結(jié)構(gòu)和微生物多樣性方面。最初的研究樣品來(lái)自于南極的砂巖[4]，研究表明微生物定殖形成獨(dú)特的“地衣結(jié)構(gòu)”[2]。這項(xiàng)研究發(fā)表在Science期刊上，對(duì)石生微生物的研究有重大意義：①藍(lán)綠藻是石隱生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者；②初步闡明了石隱生微生物的定殖方式；③簡(jiǎn)要探討了適應(yīng)極端環(huán)境的機(jī)制。這三點(diǎn)也是現(xiàn)在絕大多數(shù)從事石生生命研究的焦點(diǎn)。
石生微生物的定殖方式
巖石是構(gòu)成地球巖石圈的主要成分，由一種或多種礦物組成，生物難以分解吸收其中的化學(xué)成分。因此，科學(xué)家對(duì)微生物在巖石的生存方式產(chǎn)生了極大的興趣：①巖石的內(nèi)部構(gòu)造；②石生微生物在巖石內(nèi)的原位分布。
對(duì)于結(jié)構(gòu)十分致密的巖石來(lái)說(shuō)，不存在探討內(nèi)部結(jié)構(gòu)的價(jià)值。所以科學(xué)家將重點(diǎn)關(guān)注疏水多孔的砂巖[2，48]和一部分鹽巖(石膏)[49-50]。砂巖和石膏都是由單晶體顆粒形成，利用X射線衍射(XRD)可以分析巖石的礦物組成與結(jié)構(gòu)[49]。Wierzchos等[50]利用該技術(shù)對(duì)石膏的上表面(A)、內(nèi)部(A′)、底面(A″)的孔隙大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)石膏內(nèi)部的孔隙明顯比外表面的大。石膏內(nèi)部恰恰是微生物定殖的主要部位，孔隙增大與微生物參與礦物質(zhì)的溶解有關(guān)。
圖1 X射線粉末衍射技術(shù)對(duì)石膏樣品的孔徑大小分析
利用測(cè)量不同位置的光合光量子通量密度(PPFR)的強(qiáng)度，可以對(duì)不同深度的藍(lán)藻定殖位置進(jìn)行假設(shè)。再結(jié)合環(huán)境因子的作用，便可以對(duì)石隱生和石下生微生物的原位分布做出模擬?？梢钥闯?，整個(gè)分布狀態(tài)可以劃分為6層，微生物的定殖部位受到水分、光強(qiáng)、UV輻射、蒸發(fā)率以及孔隙度的影響。
圖2阿塔卡瑪沙漠石膏樣品中石生微生物定殖亞微米級(jí)示意圖
石隱生微生物在砂巖中形成典型的“地衣結(jié)構(gòu)”，即深(黑)色層為藻類(lèi)細(xì)胞被顏色較深的真菌(地衣共生菌)菌絲包圍纏繞形成，白色層為松散的菌絲，綠色層主要為藻類(lèi)細(xì)胞。
圖3南極干谷石隱生微生物定殖示意圖
石生微生物極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制
石生微生物生存的環(huán)境條件多種多樣，例如干旱、寒冷、高溫、鹽堿化、UV輻射、寡營(yíng)養(yǎng)等。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，石生微生物形成了耐受各種極端條件的機(jī)制。這些機(jī)制除了微生物自我調(diào)節(jié)外，最重要的是巖石本身對(duì)微生物適應(yīng)的幫助是巨大的。
水分：干燥對(duì)于生存在荒漠中的石生微生物來(lái)說(shuō)，水是異常珍貴的。大量的蒸騰和稀缺的降水導(dǎo)致生命體可利用的水資源十分稀少。對(duì)于石生微生物而言，有著獨(dú)特的水分吸收方式和耐旱裝置。在南極荒漠，雪的融化為生物提供唯一的水源[2，52-53]。在夏天，有少量的雪可以融化從而流入巖石中[54]。巖石基質(zhì)和地衣結(jié)構(gòu)在高濕度條件下可能會(huì)收集和濃縮水[55]，緊密的地衣結(jié)構(gòu)和巖石間隙通過(guò)物理機(jī)制(毛細(xì)作用)將融化的雪水或高濕度的水蒸氣吸收進(jìn)石頭，此過(guò)程并非生物過(guò)程。疏松多孔的巖石基質(zhì)就像水庫(kù)一樣，可以將融水儲(chǔ)存起來(lái)[2]，長(zhǎng)達(dá)幾天甚至數(shù)周。南極之外的荒漠，由于早晚溫度發(fā)生急劇變化，使得一部分水分子凝結(jié)附著在石頭表面形成露水[30，56]，一部分水分子形成霧[57]，對(duì)微生物而言，都是不可或缺的水資源。有研究表明，鹽的潮解也是一種水的潛在來(lái)源[58]。例如，當(dāng)空氣相對(duì)濕度(RH)>75%時(shí)，水蒸氣會(huì)在NaCl晶體周?chē)Y(jié)成水。當(dāng)RH<75%(NaCl)的時(shí)候，鹽巖也可以自發(fā)地在周?chē)?00 nm的空間內(nèi)利用巖石顆粒形成的納米多孔結(jié)構(gòu)(nanoporous structure)的毛細(xì)凝聚作用獲得液態(tài)水[59]。Wierzchos等[42]在室內(nèi)做石生微生物的濕度控制實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在RH>60%的時(shí)候，石膏(內(nèi)生藍(lán)細(xì)菌)會(huì)發(fā)生水分子自吸現(xiàn)象。所以，鹽巖在獲取液態(tài)水方面有著天然的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，從而確保了石生微生物的正常生長(zhǎng)。石生微生物的耐旱形式多種多樣。有的細(xì)菌可以分裂產(chǎn)生一種特殊的球形細(xì)胞，度過(guò)多個(gè)周期的干濕循環(huán)或者長(zhǎng)時(shí)間的干燥情況[60]。一些黑色的真菌[61]、南極綠藻(卵囊藻科)[62]和所有的藍(lán)細(xì)菌[63]具有粗多糖鞘，可以用來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受干燥傷害[64]。細(xì)菌的孢子(厚壁菌門(mén)的內(nèi)孢子、放線菌的外生孢子)和厚壁孢子(藍(lán)藻)是被記載最廣泛地解釋細(xì)菌脫水耐性的機(jī)制，還有報(bào)道固氮菌的囊腫和粘球菌的粘孢子也對(duì)干旱起抵抗作用[60]。另外，微生物可以合成一些調(diào)滲物質(zhì)(osmoprotectants)來(lái)維持細(xì)胞活性。例如甜菜堿、蔗糖、海藻糖和四氫嘧啶等。Hershkovitz等[65]從內(nèi)蓋夫沙漠石生樣品里分離出1株擬色球藻，可以在滲透脅迫下積累海藻糖和蔗糖。Garcia-Pichel等[66]研究表明，絲狀藻青菌在土壤濕潤(rùn)的條件下可以遷移到土壤表面，干燥的時(shí)候又會(huì)撤退到石頭里，這也是微生物應(yīng)對(duì)干旱自我調(diào)節(jié)的表現(xiàn)。
溫度：低溫早期研究發(fā)現(xiàn)，南極洲石生微生物中真核藻類(lèi)的生長(zhǎng)溫度上限在25℃左右[67]。后來(lái)發(fā)現(xiàn)從南極洲石內(nèi)分離出來(lái)的藍(lán)藻并不是嗜冷菌[68]，雖然它們能在4～9℃的環(huán)境下生存，但是最適生長(zhǎng)溫度為20～30℃。Quesada等[69]推測(cè)菌群缺乏對(duì)極端低溫的適應(yīng)也許是一種優(yōu)化調(diào)節(jié)，不僅僅是因?yàn)槎潭處讉€(gè)小時(shí)內(nèi)溫度會(huì)發(fā)生急劇變化，而且極端低溫的環(huán)境對(duì)它們的生理壓力也是巨大的，換來(lái)的只是高的死亡率。溫度最高的夏天，微生物生長(zhǎng)代謝也最活躍。-10～5℃之間的巖石溫度并不適合微生物生長(zhǎng)，但是從群落角度來(lái)看，巖石微生物光合固定產(chǎn)量最大，群落達(dá)到了最大的適應(yīng)性[70]。也就是說(shuō)，相比于單體物種來(lái)說(shuō)，微生物群落擁有適應(yīng)廣泛溫度變化的熱制度(狀況)[71]。最適溫度以外的物種，通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的比例(Rp/C)達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的目的。環(huán)境溫度上升，群落的Rp/C值會(huì)升高。Friedmann等[71]在世界范圍內(nèi)的地衣群落內(nèi)驗(yàn)證了這種猜想。在荒漠環(huán)境，細(xì)菌對(duì)干燥的耐受比對(duì)溫度的適應(yīng)更重要[60]。因?yàn)橹挥挟?dāng)巖石溫度很低(20℃以下)，限制細(xì)菌活動(dòng)的水才有可能出現(xiàn)。石生微生物的耐低溫形式也是多種多樣。Finegold等[72]從南極洲一個(gè)石隱生微生物群落分析得到，細(xì)胞膜含有大量多不飽和脂肪酸。純化得到的磷脂在-20℃依然保持液態(tài)，并具有不同尋常的水化功能。電子顯微鏡顯示，膜脂質(zhì)在溫度低于-20℃時(shí)，沒(méi)有形成典型的多層結(jié)構(gòu)，而是形成液體晶體或無(wú)序流體狀態(tài)，維護(hù)南極微生物的生存，甚至到-50℃。胞外多糖被認(rèn)為是細(xì)胞外限制水分喪失和細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的有效物質(zhì)[69，73]。一些藍(lán)藻也會(huì)合成一些調(diào)滲物質(zhì)，防止干燥和冷凍帶來(lái)的滲透壓傷害[74]，如甜菜堿、甘油、海藻糖、甘露醇等相容性溶質(zhì)[75-76]。一般情況下，冷環(huán)境中一個(gè)長(zhǎng)期性的休眠也是微生物生存能力的體現(xiàn)[69]。南極地衣有其獨(dú)特的適應(yīng)方式。它通過(guò)改變生長(zhǎng)模式，從密絲組織到單絲體，同時(shí)保留著恢復(fù)葉狀體(密絲組織)的潛力，如果條件滿(mǎn)足，隨時(shí)可以恢復(fù)到密絲組織結(jié)構(gòu)[2]。
光照：UV輻射、光抑制、光氧化光量子對(duì)于石生微生物是有害的。暴露在陽(yáng)光下的巖石會(huì)形成光抑制和細(xì)胞損傷、基因組損傷、光合色素漂白、光化學(xué)性能降低等[77-78]。除了巖石表層可以降低一些輻射外，石生微生物能合成“反射”紫外線的“屏幕”[64，79-80]，例如真菌中的黑色素[61]、藍(lán)細(xì)菌或藻類(lèi)中的類(lèi)胡蘿卜素[81-83]和藍(lán)細(xì)菌中的偽枝藻素[81-82，84-85]。其中，類(lèi)胡蘿卜素是吸收紫外輻射而提高細(xì)菌耐受性最多的一種色素。在高強(qiáng)度的輻射中生存下來(lái)的微生物的耐輻射能力會(huì)大大增強(qiáng)，可以達(dá)到13 kJ/m2[80]。多細(xì)胞聚集體外面形成一層“保護(hù)層”，防止過(guò)多的輻射滲透到內(nèi)層細(xì)胞。微生物在巖石中定殖的位置和生物量與光合光子通量(PPF)及光合有效輻射(PAR)息息相關(guān)。研究表明，只有1%入射光可以穿透砂巖表層，在1.2～3.0 mm深度之間，每毫米就有70%～95%的損失[9]。而且，不同的石質(zhì)對(duì)光合有效輻射的影響很大[30]。例如46.8%的透明燧石中藻類(lèi)可以生長(zhǎng)到40 mm深，厚度范圍為5～15 mm，而20.9%的不透明燧石只有30 mm深，厚度范圍為5～10 mm。隨著入射深度的增加，入射光譜逐漸向紅光轉(zhuǎn)變[53]，這說(shuō)明紅光在燧石中的穿透力強(qiáng)于短波長(zhǎng)的光，所以石生微生物即使在光線暗的情況下也能較好地吸收光能[30]。輻射對(duì)石生微生物大分子物質(zhì)造成很大的光氧化損傷，包括DNA和蛋白質(zhì)鏈的斷裂等。Daly等[86]發(fā)現(xiàn)恐球菌綱和其他的耐輻射菌通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)的錳離子濃度，進(jìn)而降低活性氧濃度來(lái)對(duì)抗輻射或干燥帶來(lái)的蛋白質(zhì)氧化損傷。而且，恐球菌綱中的一些特殊蛋白與RecA、RecFOR等蛋白相互作用對(duì)DNA的修復(fù)有很大幫助[87-88]?？智蚓V還有一個(gè)高度濃縮的擬核，通過(guò)限制游離DNA末端的擴(kuò)散可以高效地進(jìn)行DNA修復(fù)[89-90]。石生微生物中的共球藻屬，還可以調(diào)節(jié)類(lèi)胡蘿卜素與葉綠素比例增加，這也是一個(gè)適應(yīng)防止光氧化損傷的過(guò)程。
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