极地雪藻的研究进展与前景分析

西瓜雪之謎當你看到滿山的雪不是白的，而是紅色的時候，你肯定會對著景象驚奇不已！貌似《一千個為什麼》裏面沒有這個解釋。千年來，由於科技的限制，人們一直保持著對這種紅學的神秘感。直到20世紀90年代，這種神奇的現象才慢慢被人們從顯微鏡下揭開神秘面紗。你可以窮盡你的想象，紅雪的“幕後使者”是誰？它就是雪藻雪藻之探究科学家对红色的西瓜雪进行了充分研究，例如用放大倍数的显微镜观察，发现那确实是一种藻类，单细胞的，厚厚的细胞壁有些透明，透着里面的红色。科学家用超声波等方式把这些细胞打碎，测定它们的细胞液，发现细胞液中含有大量糖分和油脂类物质，这些物质可以降低细胞液结冰时的温度，就像盐可以降低水结冰的温度一样。再加上厚细胞壁的保护，零下40℃的低温也不至于把它们冻坏。可是，即使寒冷不会冻坏它们，它们又何以为生呢？毕竟冰雪比较纯净，不像水中含有多种营养元素。别忘了，冰雪的表面在大风天气里很容易覆盖上尘埃、岩屑、花粉、腐殖质，另外还有“老死”的小藻尸体。当冰雪融化时，冰水就可以把表面的“杂质”溶解并带入冰雪中，这些可都是藻类生长所必需的营养元素，藻类自身又含有叶绿素，可以吸收阳光进行光合作用，有了营养元素和阳光，藻类在冰雪中生长繁殖还是很可能的。这种在冰雪中顽强生长的小藻叫雪衣藻，是绿藻的一种，喜欢寒冷的冰雪环境。雪衣藻确实曾经是绿色的，它如何变成了红色，这是个很有趣的过程。雪衣藻最喜欢的温度是0℃，最繁盛的季节是晚春和夏季，秋冬季节，新降的大雪会把雪衣藻覆盖住，厚“棉被”和低温会让它们进入冬眠。明年的春天来临后，在温暖的阳光照耀下，融化的雪水带着表面的“营养”向下渗入到雪衣藻冬眠的地方。受到雪水刺激后，雪衣藻“打个哈欠”醒了过来，“吃饱喝足”后，开始生育繁殖(雪衣藻的分裂是母雪衣藻分裂成两个子雪衣藻)，生成的小雪衣藻都有会“游泳”的鞭毛，随着鞭毛的摆动，小雪衣藻迎着渗入的雪水向上游去，直到来到冰雪的表面。有趣的是，会游泳的雪衣藻来到表面后会很快失去鞭毛，细胞壁加厚，这时的雪衣藻还是绿色的。神奇的是，来到冰雪表面的雪衣藻被太阳一晒就变成了红色，这是因为经紫外线照射后，雪衣藻体内产生了类胡萝卜素等多种红色素，鲜明的红色把它的绿色给掩盖了，这就是雪衣藻呈现红色的原因。雪衣藻的红色素可是大有学问，它可以抵御强烈的紫外线辐射，吸收蓝色和紫色光等高能量的光进行光合作用，并且能吸收微波热量来温暖周围的冰雪，只要是在冰雪表面生长的雪衣藻都是红色的，不论是老的，还是新“生出来”的。有一种神奇的现象可以充分说明雪衣藻的吸热作用。在平坦的冰雪地带，你经常可以看到许多红色的小凹坑，这就是成簇的雪衣藻吸收热量导致的。形成过程是这样的：当大风把芝麻粒大小的一簇雪衣藻带到一片洁白的雪地上后，由于雪衣藻的吸热，其周围的冰雪开始融化，融化面积也就黄豆粒那么大，融化的冰水给雪衣藻的生长繁殖提供了有利条件，于是雪衣藻开始分裂，一个分裂成两个，两个分裂成4个……雪衣藻越来越多，那簇雪衣藻占据的面积就越大，融化的冰水越多，冰水除了给雪衣藻提供水源，多余的会下渗，于是不久，雪衣藻所占据的地方就形成了一个红色的小凹坑，看上去像刚装过红葡萄酒的小酒杯。下面我將援引一篇關於極地雪藻的論文，對極地雪藻進行進一步的介紹：极地雪藻的研究进展与前景分析摘要：综述了富含类胡萝卜素（虾青素）的极地雪藻Chlamydomonasnivalis研究开发的最新进展，并对其研究的前景作了分析。关键词：极地雪藻；虾青素；极端环境ResearchDevelopmentandProspectAnalysisofChlamydomonasnivalisAbstract：ThisarticlesummarizedthelatestresearchdevelopmentofChlamydomanasNivalisandanalyzeditsprospectofdevelopment.Keywords：Chlamydomanasnivalis;Astaxanthin;Extremecondition雪藻（snowalgae）是生活在南、北极地区以及地球上相近的极端环境中的一类特殊的单细胞低等植物类群，已发现有上百种之多，分属不同的门类[1]。雪藻可适应极端恶劣的生活环境，例如低温、高光强、强紫外线辐射等。它们大部分细胞分布在雪地几厘米深的表层，在冰雪融化时形成雪地藻华（snowalgalbloom），因细胞富含类胡萝卜素（如虾青素）而呈深红色，因此又被称为“血雪（bloodsnow）”或被称作“watermelonsnow”。我国首批北极科考队在北纬79的冰缘上也发现了这类红色的微藻，也被称为“冰藻”（icealgae）。1996年探险队发现的大部分有色雪藻可被分成5种：(1)小的，在休眠孢子里有橘红色素，主要生长在光滑或纹理粗糙的雪里；(2)大的，黑红色素椭圆或圆形的接合子；(3)大的，黑红色休眠孢子，生长在冰上和厚的冰冻的雪岸；(4)在融化的雪水中的绿色双鞭毛运动细胞；(5)Chlamydomonasbrevispina的接合子，有很大细胞的chlamydomonasnivalis，Rhaphidonemaspp.和Stichococcusbacillaris[2]。1分类和地理分布在种类众多的雪藻中，Chlamydomonasnivalis（或Chlamydomonasaugustae）是其中一类分类地位明确、生态分布广泛、已在实验室内进行过初步生理学研究的特殊种质，在分类学上属于绿藻门（Chlorophata）、绿藻纲（Chlorophyceae）、团藻目（Volvocales）。广范的分布在北极、南极及其岛屿，以及在全球相似的极端环境中，如在阿尔卑斯山、阿拉斯加、洛基山脉、日本富士山和我国的喜马拉雅山脉等，这些地区几乎都是海拔在2500米以上的雪山。目前，国际上对雪藻Chlamydomonasnivalis的研究主要集中在藻的分类、生活史、繁殖方式、生态和地理分布调查，以及细胞壁结构、细胞超微结构和细胞内含物分析等方面[3~5]。在极地和海拔高的地区发现的大部分雪藻chlamydomonasnivalis是绿色或红色的[6-8]。不同季节雪藻的存在状态也有所不同：在仲夏看到的藻完全大的红色球状细胞的chlamydomonasnivalis，而在春末和夏初的时候见到的Chlamydomonasnivalis则是直径大约10µm的较小的绿色不动球状细胞[9,10]。在天然样品中看到的Chlamydomonasnivalis一般是球状的或接近球状的红色“静息细胞”，拥有一个可改变厚度的粘性细胞膜，大部分直径是15-30µm[11]。Chlamydomonasnivalis包括运动细胞和不动细胞。在有利的温度和光照下，大多数细胞是运动的[12]，运动细胞顶端有两条鞭毛；当这些细胞在一个地方逗留或积极的运动时，他们就会旋转振动[13]。运动细胞还有一个厚壁，他们在大小和外形（从球状细胞或顶端上有一点椭圆突出的球状）上是可变的：椭圆细胞直径是20～32.5µm，豆形细胞长20～25µm，宽10～20µm。另一小部分是由不动的细胞构成的，这些细胞直径是20～50µm，通常由含有多层的厚细胞壁覆盖，同时在母细胞里有2～16个子细胞[12,13]。2极地雪藻生长的环境特点2.1温度低温、高光照和强紫外辐射是极地雪藻生长环境的主要特点[14]。2.1温度雪藻Chlamydomonasnivalis生活在接近-8~1°C的雪或冰中，在冬季还要忍受低至-35°C的低温，当温度低于水的凝固点时，雪藻进入休眠状态[15]。有研究表明，它的最适生长温度在0～10°C之间，并具有富集金属离子的强大能力，其体内的离子浓度可高于体外的成千上万倍。2.2光强由于阳光的直射、冰雪的反射和散射，致使雪地的光照强度极高，可达到86,000lx，被认为是地球上光照最强的地方；光合作用需要的透射光强度高于54,000lx，但是当光强逐渐增大超过86,000lx时，光合作用就会被抑制，而如果低于54,000lx，光合作用也会随着逐渐减弱的光强而减弱[16]。而雪藻能够在雪地中生存，可见雪藻Chlamydomonasnivalis的光合作用不受高光强（≤86,000lx，约1600µmol/m2s）的抑制，具有适应高光照的超强能力。2.3紫外辐射臭氧层具有屏障紫外线（UVR）的功能，在减少紫外强度上起着重要的作用，它能过滤99%的紫外线。如果臭氧减少1%，那么对紫外线吸收率将减少2%。因此，臭氧层的破坏甚至出现臭氧空洞带来的直接后果是太阳光中的紫外线透过大气层的量加大。在海拔3000米以上分布的藻类，其所受到的UV辐射比海平面要高出30%，而在两极地区由于近年来臭氧层的破坏紫外线辐射强度就更高。众所周知，高光照和强紫外辐射作用于植物细胞，将在叶绿体和细胞内产生大量的自由基，对细胞的DNA、膜脂质、酶有着巨大的氧化破坏作用，直接威胁着细胞的生存。Chlamydomonasnivalis却能在这种极端环境中存活，必定有一套强大的抗氧化系统来消除自由基、保护光合作用系统和生物膜系统，以保证细胞生理活动的正常进行，而且这套系统必须能在低温下高效率发挥作用。3极地雪藻的繁殖[17,18]极地雪藻Chlamydomonasnivalis的繁殖分为无性繁殖和有性繁殖，它的无性繁殖是通过细胞分裂成倍地增加。雪藻的有性繁殖在雪水中进行，运动细胞（motilecells）可以担当配子。这些配子在大小和形式上明显不同。在Chlamydomonasnivalis的有性繁殖中，存在两种接合子形式：1）众多配子之中的一个原生质体进入其他的配子；2)配子融合，两个配子的细胞壁融合成一个单一细胞。细胞中心部分一样的配子的原生质体融合，从两个配子的细胞壁之中形成新细胞壁。如果配子大小有差异，则较小的配子成分进入到较大的那个细胞里。原生质体延伸形成圆锥形突起同时细胞壁与原生质体分离，这样的细胞就转化为静孢子。原生质体突起的部分红色逐渐消失，然后缩小，并最终与原生质体分离。所以，长在突起顶端部分的鞭毛的基本部分也被分离，同时这个细胞进入一个不动阶段。被分离的原生质体的剩下部分仍然悬在原生质体与被分离的细胞壁之间，然后，细胞壁在原生质体周围形成。最后，被分离的细胞壁破裂，静孢子被释放出来。在细胞生长期间，细胞维持它的椭圆型，或成为球形。静孢子仍然是球状红色的，能够很好的忍受冰冻和黑暗，并在适宜他们生长的条件下，很快开始进行繁殖。4极地雪藻的研究进展目前，国际上对雪藻Chlamydomonasnivalis的研究主要集中在藻的分类、生活史、繁殖方式、生态和地理分布调查，以及细胞壁结构、细胞超微结构和细胞内含物分析等方面[3,4,19]。研究发现，雪藻Chlamydomonasnivalis在营养丰富和低光强下保持绿色并快速生长，而在营养贫乏和高光强下细胞生长减缓并开始积累大量一种红色类胡萝卜素——虾青素[21,21]，积累主要受氮缺乏的影响同时磷、硫、钾和铁的耗尽也有同样的效果。它可耐受NaCl浓度的半致死计量为1.2M，是莱茵衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）的3倍；绿色和红色细胞中都富含磷、硫和硅，而红色细胞中则钙含量较低[4]。实验分析表明，在含有雪藻的雪上出现了Si、Cl、Fe、Ca和K元素，并且Fe在藻中有最大的累积浓度，其成分几乎是恒定的。从这可以看出Fe是生物体至关重要的一种物质[22]。雪藻Chlamydomonasnivalis的光合作用不受高光强的抑制，在0℃仍有光合活性，且不被UV抑制；细胞光合作用产生有机物（有机酸、多糖）并分泌到环境中，使环境pH值降低。我们的研究表明，极地雪藻具有较强的抵其次，富含类胡萝卜素的红色细胞在紫外线诱导下还能合成酚类物质和游离的脯氨酸，多酚类物质可能主要存在于变厚的细胞壁，且酚类物质的总积累量部分受UV的暴露时间来调控。它们能够协助保护细胞以抵抗UV带来的损伤[5,26-28]。此外，红色不动细胞中含有大量单不饱和