對于石生微生物，科學家一直在不斷地發(fā)現(xiàn)并逐漸深入。由于實驗條件的限制，早期的研究一直側重于其群落結構和微生物多樣性方面。最初的研究樣品來自于南極的砂巖[4]，研究表明微生物定殖形成獨特的“地衣結構”[2]。這項研究發(fā)表在Science期刊上，對石生微生物的研究有重大意義：①藍綠藻是石隱生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者；②初步闡明了石隱生微生物的定殖方式；③簡要探討了適應極端環(huán)境的機制。這三點也是現(xiàn)在絕大多數(shù)從事石生生命研究的焦點。
石生微生物的定殖方式
巖石是構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成分。因此，科學家對微生物在巖石的生存方式產(chǎn)生了極大的興趣：①巖石的內部構造；②石生微生物在巖石內的原位分布。
對于結構十分致密的巖石來說，不存在探討內部結構的價值。所以科學家將重點關注疏水多孔的砂巖[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構[49]。Wierzchos等[50]利用該技術對石膏的上表面(A)、內部(A′)、底面(A″)的孔隙大小進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)石膏內部的孔隙明顯比外表面的大。石膏內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的溶解有關。
圖1 X射線粉末衍射技術對石膏樣品的孔徑大小分析
利用測量不同位置的光合光量子通量密度(PPFR)的強度，可以對不同深度的藍藻定殖位置進行假設。再結合環(huán)境因子的作用，便可以對石隱生和石下生微生物的原位分布做出模擬?？梢钥闯觯麄€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、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示意圖
石隱生微生物在砂巖中形成典型的“地衣結構”，即深(黑)色層為藻類細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，綠色層主要為藻類細胞。
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)境適應機制
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、寡營養(yǎng)等。在長期的進化過程中，石生微生物形成了耐受各種極端條件的機制。這些機制除了微生物自我調節(jié)外，最重要的是巖石本身對微生物適應的幫助是巨大的。
水分：干燥對于生存在荒漠中的石生微生物來說，水是異常珍貴的。大量的蒸騰和稀缺的降水導致生命體可利用的水資源十分稀少。對于石生微生物而言，有著獨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]。巖石基質和地衣結構在高濕度條件下可能會收集和濃縮水[55]，緊密的地衣結構和巖石間隙通過物理機制(毛細作用)將融化的雪水或高濕度的水蒸氣吸收進石頭，此過程并非生物過程。疏松多孔的巖石基質就像水庫一樣，可以將融水儲存起來[2]，長達幾天甚至數(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附著在石頭表面形成露水[30，56]，一部分水分子形成霧[57]，對微生物而言，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源[58]。例如，當空氣相對濕度(RH)>75%時，水蒸氣會在NaCl晶體周圍凝結成水。當RH<75%(NaCl)的時候，鹽巖也可以自發(fā)地在周圍100 nm的空間內利用巖石顆粒形成的納米多孔結構(nanoporous structure)的毛細凝聚作用獲得液態(tài)水[59]。Wierzchos等[42]在室內做石生微生物的濕度控制實驗，發(fā)現(xiàn)在RH>60%的時候，石膏(內生藍細菌)會發(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構優(yōu)勢，從而確保了石生微生物的正常生長。石生微生物的耐旱形式多種多樣。有的細菌可以分裂產(chǎn)生一種特殊的球形細胞，度過多個周期的干濕循環(huán)或者長時間的干燥情況[60]。一些黑色的真菌[61]、南極綠藻(卵囊藻科)[62]和所有的藍細菌[63]具有粗多糖鞘，可以用來保護細胞免受干燥傷害[64]。細菌的孢子(厚壁菌門的內孢子、放線菌的外生孢子)和厚壁孢子(藍藻)是被記載最廣泛地解釋細菌脫水耐性的機制，還有報道固氮菌的囊腫和粘球菌的粘孢子也對干旱起抵抗作用[60]。另外，微生物可以合成一些調滲物質(osmoprotectants)來維持細胞活性。例如甜菜堿、蔗糖、海藻糖和四氫嘧啶等。Hershkovitz等[65]從內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的條件下可以遷移到土壤表面，干燥的時候又會撤退到石頭里，這也是微生物應對干旱自我調節(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的生長溫度上限在25℃左右[67]。后來發(fā)現(xiàn)從南極洲石內分離出來的藍藻并不是嗜冷菌[68]，雖然它們能在4～9℃的環(huán)境下生存，但是最適生長溫度為20～30℃。Quesada等[69]推測菌群缺乏對極端低溫的適應也許是一種優(yōu)化調節(jié)，不僅僅是因為短短幾個小時內溫度會發(fā)生急劇變化，而且極端低溫的環(huán)境對它們的生理壓力也是巨大的，換來的只是高的死亡率。溫度最高的夏天，微生物生長代謝也最活躍。-10～5℃之間的巖石溫度并不適合微生物生長，但是從群落角度來看，巖石微生物光合固定產(chǎn)量最大，群落達到了最大的適應性[70]。也就是說，相比于單體物種來說，微生物群落擁有適應廣泛溫度變化的熱制度(狀況)[71]。最適溫度以外的物種，通過調節(jié)初級生產(chǎn)者和消費者的比例(Rp/C)達到適應環(huán)境的目的。環(huán)境溫度上升，群落的Rp/C值會升高。Friedmann等[71]在世界范圍內的地衣群落內驗證了這種猜想。在荒漠環(huán)境，細菌對干燥的耐受比對溫度的適應更重要[60]。因為只有當巖石溫度很低(20℃以下)，限制細菌活動的水才有可能出現(xiàn)。石生微生物的耐低溫形式也是多種多樣。Finegold等[72]從南極洲一個石隱生微生物群落分析得到，細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，膜脂質在溫度低于-20℃時，沒有形成典型的多層結構，而是形成液體晶體或無序流體狀態(tài)，維護南極微生物的生存，甚至到-50℃。胞外多糖被認為是細胞外限制水分喪失和細胞內冰晶形成的有效物質[69，73]。一些藍藻也會合成一些調滲物質，防止干燥和冷凍帶來的滲透壓傷害[74]，如甜菜堿、甘油、海藻糖、甘露醇等相容性溶質[75-76]。一般情況下，冷環(huán)境中一個長期性的休眠也是微生物生存能力的體現(xiàn)[69]。南極地衣有其獨特的適應方式。它通過改變生長模式，從密絲組織到單絲體，同時保留著恢復葉狀體(密絲組織)的潛力，如果條件滿足，隨時可以恢復到密絲組織結構[2]。
光照：UV輻射、光抑制、光氧化光量子對于石生微生物是有害的。暴露在陽光下的巖石會形成光抑制和細胞損傷、基因組損傷、光合色素漂白、光化學性能降低等[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]、藍細菌或藻類中的類胡蘿卜素[81-83]和藍細菌中的偽枝藻素[81-82，84-85]。其中，類胡蘿卜素是吸收紫外輻射而提高細菌耐受性最多的一種色素。在高強度的輻射中生存下來的微生物的耐輻射能力會大大增強，可以達到13 kJ/m2[80]。多細胞聚集體外面形成一層“保護層”，防止過多的輻射滲透到內層細胞。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。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，不同的石質對光合有效輻射的影響很大[30]。例如46.8%的透明燧石中藻類可以生長到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變[53]，這說明紅光在燧石中的穿透力強于短波長的光，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]。輻射對石生微生物大分子物質造成很大的光氧化損傷，包括DNA和蛋白質鏈的斷裂等。Daly等[86]發(fā)現(xiàn)恐球菌綱和其他的耐輻射菌通過增加細胞內的錳離子濃度，進而降低活性氧濃度來對抗輻射或干燥帶來的蛋白質氧化損傷。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DNA的修復有很大幫助[87-88]?？智蚓V還有一個高度濃縮的擬核，通過限制游離DNA末端的擴散可以高效地進行DNA修復[89-90]。石生微生物中的共球藻屬，還可以調節(jié)類胡蘿卜素與葉綠素比例增加，這也是一個適應防止光氧化損傷的過程。
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