La historia de la investigación biológica de las profundidades marinas

El concepto de mar profundo suele referirse al océano por debajo de los 1.000 metros, que representa 3/4 de la superficie total del océano. Los sedimentos de las profundidades marinas cubren más del 50% de la superficie terrestre. La supervivencia de los microorganismos en las profundidades marinas y los sedimentos de las profundidades marinas se enfrenta a varios entornos extremos, como alta presión, temperaturas bajas o altas, oscuridad y bajos niveles de nutrientes. Durante mucho tiempo se ha considerado un "desierto árido". A mediados del siglo XX, la tecnología de exploración de las profundidades marinas descubrió que también hay altas montañas en el fondo del mar y que hay 80.000 kilómetros de crestas sinuosas en los océanos del mundo. El descubrimiento de las dorsales oceánicas hizo que la gente se diera cuenta de la unidad del medio marino y el medio terrestre. En 1977, el sumergible estadounidense "Alvin" descubrió por primera vez un sistema de vida independiente que no dependía de la fotosíntesis en la zona hidrotermal de 2.500 metros de profundidad cerca de las Islas Galápagos en el Océano Pacífico. En la base de la pirámide de los sistemas de vida se encuentran los microorganismos, que pueden utilizar directamente compuestos de bajo peso molecular, como sulfuros, compuestos de nitrógeno y metano expulsados ​​de respiraderos volcánicos de aguas profundas, como alimento y energía para sintetizar diversas macromoléculas biológicas, como las proteínas. y azúcares. En la parte superior de la pirámide se encuentran algunas criaturas grandes, como gusanos, gusanos, almejas y mejillones, así como biomas especiales como cangrejos, medusas y percebes. Algunas personas llaman a este colorido y vibrante mundo de vida submarina el "oasis de vida" en el fondo marino. Se han estudiado decenas de sistemas biológicos hidrotermales de aguas profundas. El descubrimiento de esta "cadena alimentaria oscura" que depende de la energía endógena de la Tierra para producir materia orgánica mediante combinaciones químicas en el entorno oscuro y de alta temperatura de las profundidades marinas ha dado a los humanos una mayor comprensión del entorno y la biosfera de las profundidades marinas. En los diversos ambientes extremos que se han descubierto hasta ahora, existen ricos recursos biológicos en las profundidades del mar, los más importantes de los cuales son los microorganismos de las profundidades marinas, pero la mayoría de estos microorganismos aún se desconocen. El estudio de los extremófilos en el entorno de las profundidades marinas no es sólo uno de los campos más avanzados de las ciencias biológicas, sino también una parte importante del estudio de la biosfera de las profundidades marinas y las actividades de los fluidos del fondo marino. Esta investigación responderá preguntas importantes en las ciencias de la vida, como el origen de la vida, la evolución biológica y la exploración de la vida en el espacio exterior, y promoverá importantes avances en otras disciplinas, incluidas las ciencias de la tierra, en el siglo XXI. En 2001, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) publicó un informe titulado "La ciencia oceánica en una nueva era del milenio", en el que el estudio de la actividad de los fluidos del fondo marino figuraba como el aspecto más importante de las ciencias oceánicas en la próxima década. Las direcciones de investigación de vanguardia, las ciencias de la vida, la geofísica y la geoquímica del fondo marino desempeñarán un papel importante en la investigación antes mencionada. El Programa Integrado de Perforación Oceánica (IODP) comenzará del 5 de junio a octubre de 2003, integrando la biosfera, el fondo marino y el fondo marino. La geoquímica. El fondo marino figura como uno de los tres temas científicos principales del proyecto. El descubrimiento de la biosfera de las profundidades marinas es una mayor comprensión del vasto alcance de la "biosfera", aunque ya han pasado casi 80 años desde que se tomaron muestras de columnas de sedimentos. se recogieron del fondo marino, se inició una investigación sistemática a gran escala. El Plan de perforación en aguas profundas de 1968. La trilogía de investigaciones en aguas profundas que incluye "Perforación en aguas profundas (DSDP, 1968 ~ 1983)", "Perforación en océanos (ODP, 1985 ~ 2003). ", y "Ocean Integrated Drilling (IODP, 2003 ~ presente)" es una geociencia internacional La más larga del mundo. El Ocean Drilling Project ODP nos muestra otro mundo de vida desde una perspectiva única: la biosfera enterrada en los sedimentos del fondo marino y la corteza terrestre Hay enormes organismos compuestos por diminutos procariotas en el fondo marino a miles de metros de profundidad, algunos estiman que su biomasa equivale a 1/10 de la biomasa global de la superficie. La biosfera profunda depende de la materia orgánica en la formación para la heterotrofia. La gente se da cuenta de que la base real del ecosistema terrestre está en los procariotas. Son los diversos procesos metabólicos de estos procariotas los que producen diversos efectos biogeoquímicos y, sobre esta base, los microorganismos siempre están presentes. en todo Esta parece ser una regla básica que puede sobrevivir en ambientes físicos, químicos y geológicos. Los microorganismos que crecen en ambientes extremos y generalmente necesitan crecer normalmente en ambientes tan extremos se denominan colectivamente extremófilos. campo magnético, espacio, tiempo, etc.), entornos químicos extremos (como sequedad, salinidad, valor de pH, concentración de metales pesados, potencial redox, etc.) y entornos biológicos extremos (como nutrición, densidad de población, factores de la cadena biológica, etc.), y el fondo marino se considera el extremo de los ambientes extremos mencionados anteriormente.

En el ambiente de las profundidades marinas, hay acidófilos (por debajo de pH 3), alcalófilos (por encima de pH 10), halófilos (por encima de 25 mol/L), psicrófilos (por debajo de 0°C), termófilos (por encima de 120°C) y barófilos (por encima de 120°C). 500 atmósferas) )microorganismo. El estudio de las características biológicas extremas en el entorno de las profundidades marinas también proporciona buenos materiales biológicos para el estudio de los límites de la vida y continúa proporcionando nuevas pistas y bases para la exploración de la vida en el espacio ultraterrestre. Los científicos imaginan que, dado que los microorganismos pueden sobrevivir bien en un entorno tan duro y extremo, también existirá vida en Marte. El establecimiento de la microbiología de aguas profundas se remonta a la década de 1970. El profesor Yajanos del Instituto Scripps de Oceanografía de Estados Unidos diseñó y mejoró un tanque de cultivo de alta presión y aisló bacterias barotrópicas de aguas profundas en 1979. En 1989, Bartlett aisló por primera vez la proteína de membrana externa regulada por presión (OmpH). En 1990, Mitsubishi Heavy Industries y Sanyo Corporation de Japón comenzaron a desarrollar un sistema de cultivo microbiano de alta temperatura y alta presión en aguas profundas para el Centro de Tecnología y Ciencia Marina de Japón. Se completó en 1994 a un costo de 750 millones de yenes. La construcción de este sistema y la construcción del sistema de muestreo de buceo profundo han promovido en gran medida el progreso de la investigación de la biosfera de las profundidades marinas. En 1995, Kato et al. analizaron un grupo de genes regulados por la presión, y en 1999, Nogi et al. aislaron e identificaron Moritella Yayanosii, una bacteria extremadamente amante de la presión de la Fosa de las Marianas [1 ~ 3]. En 2003, Japón, Estados Unidos e Italia introdujeron sucesivamente las bacterias amantes de la presión de las profundidades marinas Shewanella purpurea DSS12 y Photobacterium luminescens.

Secuenciación del genoma completo de Profundum SS9 [4, 5]; En marzo de 2005, "Science" [6, 7] publicó la secuencia del genoma completo y el análisis preliminar de Fusarium profundum SS9. Además de tener un enorme valor de investigación científica, la investigación microbiana en aguas profundas también tiene un enorme valor económico y social y ha recibido una amplia atención. Los organismos de las profundidades marinas existen en entornos físicos, químicos y ecológicos únicos. Rodeados de alta presión hidrostática, severos gradientes de temperatura, condiciones de luz extremadamente débiles y altas concentraciones de sustancias tóxicas, han formado una estructura biológica y un sistema de mecanismo metabólico muy especial. Debido a este entorno extremo, diversas sustancias activas de los organismos de las profundidades marinas, especialmente las enzimas, tienen las características de resistencia a altas temperaturas, resistencia a ácidos y álcalis, resistencia a la sal y una fuerte resistencia a la toxicidad. Estas sustancias biológicamente activas especiales son la parte más valiosa de los recursos biológicos de las profundidades marinas. Además de desarrollar y mejorar los métodos de aislamiento y cultivo de microorganismos marinos para obtener nuevos microorganismos marinos y detectar sustancias activas, la exploración de los recursos microbianos marinos, especialmente los recursos microbianos de aguas profundas, y el desarrollo de nuevos medicamentos marinos son opciones inevitables y efectivas, y también están de moda. puntos en el desarrollo de recursos microbianos de aguas profundas. En resumen, los organismos de aguas profundas tienen un valor de aplicación potencial en los siguientes aspectos:

1 Aplicación industrial

La producción industrial a menudo requiere algunas temperaturas de reacción especiales, valores de pH y la adición de algunos disolventes orgánicos. En tales condiciones, las enzimas ordinarias no pueden permanecer activas. Por lo tanto, las industrias que dependen de enzimas deben gastar mucho dinero en procesos especiales para mantener la actividad de estas enzimas, lo que aumenta considerablemente el costo. Las enzimas extremas aún pueden mantener una alta actividad incluso cuando las enzimas ordinarias están inactivadas, por lo que tienen amplias perspectivas de aplicación en la industria. En la actualidad, varias enzimas extremas, como la polimerasa de alta temperatura, la carbohidrasa, la amilasa y la proteasa, han comenzado la producción industrial y han generado miles de millones de dólares en beneficios económicos.

2 Aplicaciones Médicas

El desarrollo de fármacos a partir de seres vivos para tratar diversas enfermedades humanas tiene una larga historia. Debido a que cada vez más bacterias o virus patógenos se vuelven resistentes a los medicamentos actuales, constantemente surgen nuevas enfermedades. Por lo tanto, la detección de nuevos fármacos biológicos procedentes del océano se ha convertido en la dirección de la investigación y el desarrollo de fármacos marinos. Debido a la singularidad del medio ambiente, los organismos de las profundidades marinas se han convertido en la fuente de nuevos medicamentos especiales, como antitumorales, antivirales, hipotensores y hipolipemiantes. Actualmente no hay muchos informes internacionales sobre la detección de drogas en aguas profundas, pero se puede esperar que sus perspectivas sean muy amplias.

3 Protección del Medio Ambiente

En el fondo marino, debido a la acumulación de cadáveres de animales y erupciones volcánicas, la concentración de sustancias tóxicas, sulfuros y otras sustancias nocivas para los organismos terrestres que aquí viven es muy alto Los microorganismos pueden descomponer estos materiales y utilizarlos como energía para prosperar. Por lo tanto, estos organismos tienen un valor de aplicación importante para eliminar metales pesados, petróleo y otros contaminantes de la superficie terrestre. Actualmente, los científicos japoneses han examinado cepas con alta capacidad de descomposición del petróleo en las profundidades del mar y han realizado investigaciones sobre su aplicación. Desde finales del siglo XX, con la mejora de la tecnología de aguas profundas, cada vez más países se han dedicado a la vanguardia de la investigación de aguas profundas.

En la actualidad, la profundidad de inmersión de los sumergibles tripulados de aguas profundas alcanza los 6.500 metros, y la profundidad de inmersión de los sumergibles ROV no tripulados controlados por cable puede alcanzar los 11.000 metros. Se obtienen muestras de sedimentos de aguas profundas en la Fosa de las Marianas más profunda. Se descubrió que el contenido microbiano alcanzó 103 ~ 104/g. La simulación de laboratorio del ambiente de las profundidades marinas también ha logrado grandes avances. Se han aislado e identificado microorganismos extremófilos como barófilos, alcalófilos, acidófilos, halófilos, psicrófilos y termófilos. En la actualidad, los países del mundo que llevan a cabo investigaciones microbianas en aguas profundas se distribuyen principalmente en Europa, América y Asia. Entre ellos, Estados Unidos, Japón, Alemania y Francia son las principales fuerzas en la investigación microbiana en aguas profundas. En la actualidad, se han logrado ciertos avances en el aislamiento y cultivo de microorganismos de aguas profundas, la investigación de la diversidad, la investigación de genes funcionales y la investigación de mecanismos de adaptación (como el mecanismo halófilo de las bacterias halófilas de aguas profundas). Varios extremófilos también han logrado avances en el desarrollo y aplicación de enzimas industriales, enzimas herramientas, remediación ambiental y sustancias bioactivas, lo que ha permitido a la gente ver el gran potencial y las amplias perspectivas de aplicación del desarrollo de microorganismos de aguas profundas. Los recursos biológicos de las profundidades marinas, especialmente los recursos microbianos, han atraído cada vez más atención por parte de los humanos. Con el desarrollo de la ciencia y la mejora y mejora de la tecnología de ingeniería submarina y la tecnología de detección, los humanos tienen un mayor espacio y posibilidades para la investigación y el desarrollo de microorganismos de las profundidades marinas. La investigación sistemática sobre genes biológicos de aguas profundas en mi país comenzó relativamente tarde. Desde este siglo, ha sido financiada principalmente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y por Ingeniería Oceánica de China. Con base en el Tercer Instituto de Oceanografía de la Administración Oceánica Estatal, la Asociación Oceanográfica de China ha establecido la Base de Investigación y Desarrollo de Genes Biológicos Oceánicos de China y ha desarrollado y equipado un lote de equipos especiales para el cultivo microbiano marino y de laboratorio en aguas profundas. Con el apoyo de equipos de aguas profundas, se pueden llevar a cabo investigaciones microbianas reales en aguas profundas. Hasta ahora, la investigación básica se ha centrado principalmente en el papel de los microorganismos de las profundidades marinas en la circulación material; el aislamiento y cultivo de extremófilos; la investigación sobre el metabolismo genético microbiano y la investigación sobre los mecanismos de adaptación de los microorganismos de las profundidades marinas a ambientes extremos. Se han aislado e identificado con éxito varios microorganismos halófilos, termófilos, psicrófilos, halófilos, alcalófilos y acidófilos de aguas profundas, y se han descubierto muchas especies nuevas. Sobre esta base, se está construyendo la primera biblioteca de recursos sobre cepas microbianas de aguas profundas de mi país. Se clonaron, expresaron y analizaron múltiples genes de extremasa de aguas profundas. También se han realizado trabajos para detectar sustancias activas antibacterianas y antitumorales procedentes de microorganismos de aguas profundas. Básicamente se ha completado la secuenciación completa del genoma de la cepa Shewanella comra WP3, tolerante a la presión de las profundidades marinas, y la investigación posgenómica está en curso. Se construyó una biblioteca metagenómica de sedimentos de aguas profundas y una biblioteca de genes de cósmidos de sedimentos de aguas profundas a una profundidad de 5.000 metros. Mediante el análisis de clones, se descubrió que las fuentes de microorganismos en la biblioteca eran principalmente especies microbianas nuevas no cultivadas. La secuenciación de algunos clones encontró que la mayoría de los genes en los clones eran genes nuevos. Actualmente se han seleccionado varios clones que expresan sustancias biológicamente activas y se están determinando sus secuencias. En resumen, la investigación biológica de aguas profundas es un proyecto de alta inversión que se basa en tecnología de ingeniería. El rápido desarrollo de la investigación sobre el desarrollo y la utilización de recursos genéticos biológicos de aguas profundas de mi país requiere más fondos y talentos.