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地下1.5千米,生活着“极简主义者”,和“囤积癖患者”
来源:环球科学 | 作者:环球科学 | 2024/2/12 21:28:09 | 浏览:793 | 评论:0

地下1.5千米,生活着“极简主义者”,和“囤积癖患者”

桑福德地下研究设施是位于美国南达科他州前霍姆斯泰克金矿的一个科研实验室。西北大学的地球生物学家,玛格达莱娜·奥斯本(Magdalena Osbur)在桑福德地下研究设施提取钻孔中含有微生物的水。这些样本将揭示有关地球深处生物特性的新细节。(图片来源:Sanford Underground Research Facility)


地表以下1.5千米深处,生活于此的微生物分化出两种极端的生存策略,它们的基因揭示了原因。


撰文 | STEPHANIE PAPPAS

翻译 | 李承泽

审校 | 冬鸢


地球深处,暗无天日,营养稀缺。这里看起来太过贫瘠,搜寻生命的迹象貌似没有任何意义。然而事实却并非如此。生活在地下的微生物,构成了地球生物圈相当大的一部分,其总生物量估计值仅次于植物。


幸运的是,在美国南达科他州的一座废弃金矿,人们得以更加深入地探索这个掩藏了诸多生物的秘密世界。一项发表在《环境微生物学》(Environmental Microbiology)上的新研究,对地表以下1.5千米深处的矿井微生物进行了遗传分析,揭示了微生物生存策略的分化:一部分微生物有着庞大的基因组,使它们得以消化一切可获取的营养物质;对于另一部分微生物,其基因组十分精简,甚至无法合成维持生命的基本组分,只能依赖于食腐或与其他物种共生来生存。


“这样的发现真是太震撼了,”该论文的第一作者莉莉·莫珀(Lily Momper)说道。放眼世界,其它几个深层微生物观测站也发现了类似的现象。对此,莫珀谈道:“总体来看,我们认为这可能是地下深层微生物的一种生存策略。”


这些潜伏在地球深处的生命体,让人联想到可能生存在外太空的外星生物。根据目前我们的了解,太阳系中或许还有其它可能孕育着生命的行星或卫星,但与我们所处的地球相比,这些天体表面的条件都远不如地球般适宜。然而,在严酷地表下充斥着黑暗的地方,有机生命体却能免受宇宙射线的危害,并通过地热维持热量。


如此看来,地下生态位,即使不是整个宇宙,也可能是太阳系其它天体上生命的默认栖息地。这样的想法也让天体生物学家对顽强生活在地球深处的微生物产生了极大的兴趣。试想如果现在火星上真的存在生命,那么它很可能居住在地下,并且其形貌和行为也很可能与地球深处的微生物十分相近。


这些脚下的微生物对于地球而言也很重要。威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin–Madison)的微生物生态学家卡蒂克·阿南塔拉曼(Karthik Anantharaman)表示,没有人真正了解碳从大气以及水环境转移到地下的具体过程。虽然阿南塔拉曼不是这项新研究的合著者,但他实验团队所研发的基因组分析工具被用在了该研究中。他说道:“微生物如何影响碳循环?碳转移的速度又是多少?”若是无法解答这些问题,人们就不可能细致地了解碳循环及其对地球气候和宜居性的巨大影响。


鉴于人们希望将二氧化碳注入地下——即通过碳封存(carbon sequestration)的方式来缓解气候变化,这些问题变得尤为紧迫。西北大学(Northwestern University)的地球生物学家,同时也是这项新研究的资深作者(senior author)玛格达莱娜·奥斯本(Magdalena Osburn)表示:“很多人在讨论时都没有意识到地下其实也生活着微生物,它们可能会扰乱碳封存等过程。”


深矿微生物观测站(The Deep Mine Microbial Observatory)位于南达科他州黑山的前霍姆斯泰克(Homestake)金矿,由一系列深层钻孔组成。该观测站是地球上为数不多供研究人员长期研究深层微生物群落的地方之一。阿南塔拉曼解释道:“很少会有如此深的钻孔。”


该矿井有2438米深,已于2002年关闭。2007年以后,它便更名为桑福德地下研究设施(Sanford Underground Research Facility),成为了多学科科学研究的实验室。目前,该实验室主要供物理学家研究中微子和寻找暗物质粒子使用。但奥斯本谈到,那里还有着另一种“暗物质”:从未进行过实验室培养的微生物。为了了解这些微生物,研究人员只能过滤地下水,对其中它们的基因碎片以及其它DNA片段进行整体测序并仔细重建DNA。而为了取回这些珍贵的样本,他们则需要乘坐用木头和金属搭建的电梯笼深入矿井。


对此,莫珀回顾道:“(下探时)你的耳朵会嗡嗡鸣叫,并且一开始会感到很冷。然而当潜至深处时,温度会达到足足32℃以上,让人感觉很热。除此之外,电梯下降时还摇摇晃晃,第一次乘坐时感觉有点可怕。”


到达深处以后,研究人员便会前往钻孔,那里的岩石裂缝中充满了液体。研究人员从每个裂缝中过滤出几升水,从而收集到成千上万个独立的微生物细胞及其基因。在这项研究中,研究小组分别在深度为244米、610米、1250米以及1478米(即800英尺、2000英尺、4100英尺以及4850英尺)的地方采集了样本,并将它们与附近地表溪流所采集的样本进行了比较。


随后,研究人员解离微生物细胞,将它们的遗传物质全部进行测序。从这些混杂的遗传物质中,研究小组利用软件来检测各序列之间重叠的片段,从而将得到的基因重建为基因组。莫珀说,这种方法好比将书架上填满的书全部撕碎,再利用这些碎片将书本重新拼凑完整。


通过这种方法,研究揭示了此前从未发现的基因组,表明在前金矿深处隐藏着大量的新物种。研究人员还发现这些微生物彼此之间有着许多不同。奥斯本说道:“这让我们立刻意识到,地下的微生物参与了许多活动。这些生物体能分解消化很多物质,因此在氮、硫和金属循环方面有着巨大的潜力。”


部分微生物是“极简主义者”,它们的基因仅能进行某些特定的代谢过程。阿南塔拉曼讲道,由于维持一个庞大的、能量需求较大的基因组会给微生物带来代谢负担,这种情况出现在地下等营养贫乏的地方并不奇怪。更令人惊讶的是在地下还发现了另一类极端复杂的微生物,这些生物体能够代谢地下不存在的化学物质。


奥斯本表示,这种过度准备令人惊讶,实现如此全面的代谢能力需要维持大量的基因,因此对能量的消耗也极大。但在地下,微生物的“未雨绸缪”也可能是自身的一大优势。她谈道:“机会稍纵即逝,一旦失手,营养物质便会被矿化掉。许多微生物只是为消化各种可能出现的能源物质提前做好准备。”


前霍姆斯泰克矿有一大优势:研究人员可以不断返回地下,在相同的钻孔进行重复采样。地球上其它地方如加拿大、瑞典、瑞士和芬兰等也有长期观测站,供科学家们采集微“生物暗物质”。然而,阿南塔拉曼认为,由于这些观测点的环境条件不尽相同,想要比较这些地点的样品有一定挑战。至于微生物多样性是否随深度变化?如果是,具体是如何变化?诸如此类的问题也会因此难以解答。


但这些站点也有一个共同的特点,那就是它们都分布着各种各样的微生物。如今,奥斯本和她的团队不仅聚焦在DNA测序上,还将目光放在了RNA——连接基因表达和蛋白质合成的分子纽带上。奥斯本说道,研究微生物RNA不仅可以揭示微生物的活动类型,同时也可以知道它们在特定时间进行着怎样的活动。她近期的另一个科研项目则是分析地下的生物膜(biofilm)。生物膜即是稳定聚集在一起的微生物群落,其表面被微生物排出的黏性物质所保护。通常我们在厕所和厨房水槽中见到的污秽沉积物,便是一种生物膜。在奥斯本看来,生物膜的研究十分困难,但幸运眷顾了这群研究人员们。早在2019年12月,研究人员便在矿井的钻孔处搭建了长期的过滤系统,并计划在三到六个月以后进行样本的收集。然而,新冠疫情打乱了这一切,过滤系统也因此被闲置了4年。当研究人员终于重返地下进行检查时,却发现过滤系统如奇迹一般完好无损。


奥斯本说道:“这是我们对基于生物膜的生物圈迄今为止最接近真实情况的推测。(这些生物体)产生了大量的生物质,看起来十分特别。这也令我兴奋不已。”


原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/subterranean-microbial-dark-matter-reveals-a-strange-dichotomy/

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