白雪茫茫下的色彩世界——“天然色素”

南極洲的環境惡劣,是世界最冷的地區,同時又因其為“白色的世界”,對光線的反射能力較強,導致了該地區的紫外輻射十分強烈。即便如此,也仍有部分生物能夠在南極頑強地生存下去,如企鵝、海豹、磷蝦等。



▲   南極及部分生存在南極的生物

除此之外,在南極洲的湖泊、池塘、河流、溪流、巖石、土壤等所有生境中均能檢測到微生物。而微生物能夠在如此惡劣的環境下生存的原因之一就是它們自我產生的色素。微生物生產的一些色素具有在冷脅迫下調節膜流動性的功能,以此來促進微生物的代謝進程;有些色素可以降低紫外線輻射、超氧化物與氮反應等對微生物造成的損害;有些色素還能吸收光照以提高微生物的光合作用效率,促進微生物的生長繁殖;有些色素甚至還可以充當抗生素,以調節微生物群落。





微生物會產生各類功能豐富的色素



一、類胡蘿卜素

類胡蘿卜素(Carotenoid)是來自類異戊二烯類化合物組的有機脂溶性色素,在自然界中大多呈現為黃色、橙色或紅色。按照結構特性,類胡蘿卜素可分為三類:

(ⅰ)  胡蘿卜素,一類羥類化合物,如番茄紅素、β-胡蘿卜素、γ-胡蘿卜素等;

(ⅱ)  葉黃素,是胡蘿卜素的非酸性氧衍生物,如蝦青素、玉米黃質、隱黃質等

(ⅲ)  類胡蘿卜素酸,是胡蘿卜的羧酸衍生物,如藏花素、胭脂樹橙等。


類胡蘿卜素在早期生命出現的過程中是葉綠素的一種輔助色素,但同時它也可以從更廣泛的可見光光譜中收集能量,以此來增加光合效率。除此之外,有些微生物生產的類胡蘿卜素還能夠保護自身免受紫外輻射的影響,蝦青素(Astaxanthin)就是其中之一,前段時間報道的南極“西瓜雪”就是因為溫室效應形成的南極臭氧空洞導致紫外輻射增加,使得南極微生物為了保護自身不被紫外射線損害而大量產生紅色蝦青素。


▲   南極“西瓜雪”——南極微生物為了保護自身不被紫外射線損害而大量產生紅色蝦青素的現象
(圖源:網絡)

二、藻膽蛋白

藻膽蛋白(Phycobiliprotein)是通過硫醚鍵與半胱氨酸殘基共價結合的蛋白質,可分為藻藍蛋白(Phycocyanin,PC)、藻紅蛋白(Phycoerythrin,PE)和別藻藍蛋白(Allophycocyanin,APC),在自然界中分別呈藍色、紅色和綠色。


▲   一種藻藍蛋白
(圖源:網絡)

大量研究資料顯示,藻膽蛋白通常由藻類微生物生產得到,是藻類提高對光照利用率所必需的一類色素,對促進藻類微生物的新陳代謝起著至關重要的作用。除此之外,藻膽蛋白對藻類抵抗極端環境起到了不可忽視的作用。

三、黑色素

黑色素是一種深色生物高分子量色素,在自然界中通常呈現為深綠色至棕色或完全呈現為黑色。黑色素應該是我們最熟悉的色素之一,除了部分微生物可以生產外,它還廣泛存在于我們的皮膚、毛發、羽毛、鱗屑、眼睛和一些內膜中。


黑色素的產生與紫外線和可見光照射抗性、氧化和還原劑防護、細胞壁酶攻擊抗性、抗病毒活性以及環境壓力下的存活率和競爭能力增強都有著密不可分的關系,產黑色素微生物除了在南極洲外,通常還分布在高輻射環境、空間站、反應器冷卻水等極端、惡劣的環境中,為生物體提供了強大的保護能力。

四、黃酮類化合物

黃酮類化合物(黃色)是一類具有15碳骨架一般結構的次級代謝產物,可分為查爾酮、黃酮類、異黃酮、黃酮醇、黃酮類和異黃酮化合物等幾類亞類產品,在自然界中通常呈現為黃色。



▲   一種黃酮類物質
(圖源:網絡)

黃酮類化合物已被公認為是微生物與植物相互作用事件中的重要信號分子,有助于南極環境中的“植菌交流”,如當植物暴露于紫外輻射時,微生物可以誘導其化學改變,增加碳水化合物、羧酸、黃酮類化合物等,增強植物對外界惡劣環境的抵抗能力。

五、偽枝藻素

偽枝藻素(Scytonemin)一種小的疏水性生物堿次級代謝產物,在自然界中呈現為黃棕色。


偽枝藻素由通常棲息在高度日光照射的陸地、淡水、沿海環境中的藍細菌產生,是一種高效的保護性生物分子,能夠過濾有害的紫外線輻射,同時還可以輔助藍細菌進行光合作用。


結語


微生物自我生產的色素遠不止我們見到的,它們的功能也不能被完全概括,因此我們應該去發現更多的色素、發掘更多的功能。對于南極,我們一開始的印象都是白雪茫茫的樣子,但實際上有各種各樣的微生物在修飾這個“白色的世界”。色素的產生是微生物的共同特征,南極產色素微生物的鑒定已有很久遠的報道,它們被認為是繪制白色畫布的調色板,遺憾的是,關于南極微生物色素生態作用的知識還沒有得到適當的應用。因此,我們要將它們創造出的生物價值利用起來,去推動相關行業的發展,以此來提高我們的生活水平。




唯鉑萊也始終致力于對色素的研究,推出了一款新型天然藍色素——谷藍,實現以谷物為原料生物合成,具備自然可降解、可使用、天然抑菌等特性,滿足眾多領域應用要求,并已將其應用于衣料、餐具等日用產品的上色,可根據色素溶液的濃度來控制顏色的深淺,體現了天然色素的利用價值。



▲   谷藍及其部分應用



參考資料:

Juan José Marizcurrena, María Fernanda Cerdá, Alem D , et al. Living with Pigments: The Colour Palette of Antarctic Life[M].The Ecological Role of Micro-organisms in the Antarctic Environment. 2019.


封面:源自網絡圖片的裁剪組合


(文章內容譯自上述參考文獻,同時對該文獻內容進行了一定的補充,若有不足之處,歡迎指正)




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