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科学家在极深极热海底生存的生物体中发现了令人惊讶的活动

2022-02-07 18:08     来源:cnBeta     高伽马射线 伽马射线

自20世纪90年代中期发现深海海底生物圈以来,科学家们一直在研究生物体在这种与世隔绝且普遍缺乏食物的环境中生长的条件,另外还想搞清楚哪些条件为生命的存在设定了一个极限。2016年,一组国际科学家乘坐日本科学钻探船“地球号(Chikyu)”出海,开始深海海底生物圈的温度极限的研究工作。

考察团队从日本附近海域的地质俯冲区收集了沉积物样本。

在这个地方,温度会随着深度的增加而陡然上升,在海底1200米处达到120℃,这个温度被认为接近生命的极限。令科学家们惊讶的是,他们发现了一个非常小但非常活跃的微生物群落,在这些深而热的条件下蓬勃发展。

科学家们确定了沉积物中的细胞数量并通过对甲烷生产和硫酸盐还原的高度敏感的放射性示踪剂测量它们的新陈代谢率。他们发现每个细胞的新陈代谢率对于深层生物圈来说是非常高的。2022年1月25日发表在《Nature Communication》上的关于2016年收集的样本的新发现为生活在这种恶劣环境中的生物的生存策略提供了启示。

这项研究的论文第一作者、来自拜罗伊特大学的Felix Beulig说道:“我们提出,这些生物被迫保持高代谢率,这接近生活在地表沉积物和实验室培养物中的微生物的活动以提供修复热细胞损伤所需的能量。”研究负责人、加州大学洛杉矶分校海洋地球微生物学教授Tina Treude则指出:“修复细胞成分的热损伤所需的能量随着温度的升高而陡然增加,而这种能量的大部分可能是抵消氨基酸的持续改变和蛋白质功能的丧失所必需的。”

在每立方厘米沉积物中检测微生物代谢活动远非小事,每立方厘米沉积物中只有不到500个细胞,这比一般的表面沉积物低七个数量级。来自德国地球科学研究中心的Florian Schubert说道:“我们在极度受控的无菌条件下工作并在样品培养的同时进行了大量的控制实验。”其导师Jens Kallmeyer表示:“我们甚至孵化了用高伽马射线消毒的沉积物以及来自钻孔的钻井液,以此来检测任何潜在的非生物反应或污染引起的微生物活动。”

由于代谢率的测定是在实验室条件下进行的,一些不确定性仍然存在,即这些微生物在自然环境中是否会表现出同样的代谢活动,因此科学家们将测量的代谢硫酸盐还原率跟计算出的深层沉积物中溶解硫酸盐的耗尽时间进行了比较。罗德岛大学的Arthur Spivack表示:“鉴于我们正在比较两种非常不同的方法,其作用的时间尺度是几天和几百万年,实验的速率测定和计算的耗尽时间之间的一致是令人满意的。”

在最深和最热的沉积物中,硫酸盐还原剂和甲烷菌的高单细胞活性显然是由来自沉积物孔隙水的氢气和乙酸盐推动的。来自德国MARUM的Verena Heuer说道:“乙酸盐是一种小的有机分子,也存在于醋中,作为一种潜在的食物来源。乙酸盐在沉积物孔隙水中的浓度达到每升10毫摩尔以上,这对海洋沉积物来说是非常高的。”

对于来自奥胡斯大学的Bo Barker Jørgensen--深层生物圈研究的先驱之一来说,在深层生物圈中检测到高细胞特异性速率是一个迷人的发现。“我们总是发现,深层生物圈中的微生物是一个极其迟钝的群体,它们缓慢地啃食数百万年前被埋葬的有机物的最后遗迹。但深层生物圈充满了惊喜。在深海海底发现具有高代谢率的生命茁壮成长滋养了我们对生命如何在地球以外的行星体的类似环境中进化或生存的想象力。”

来自日本JAMSTEC的Fumio Inagaki和Yuki Morono则是该探险队的另外两位联合首席科学家,负责探测沉积物中的细胞。当被问及他们对考察队没有探测到深层生物圈的温度上限这一事实有何看法时,两人都这样说道:“我们必须回去,钻得更深。地球内部生物圈的最终界限仍是未知的。正如这个项目所显示的那样,该界限存在于沉积物下的大洋地壳的某个地方。将来会通过科学的海洋钻探来探索它。”

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