在極深、極熱的海底中繁衍生息的生物中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的活動

在日本科學(xué)鉆井船的 IODP 370 探險期間，收集了來自深熱海底生物圈的沉積物樣本。來源：JAMSTEC

自 1990 年代中期發(fā)現(xiàn)深海底生物圈以來，科學(xué)家們一直在研究生物在這種孤立且普遍缺乏食物的環(huán)境中茁壯成長的條件，并想知道哪些條件限制了生命的存在。2016年，一群國際科學(xué)家乘坐日本科學(xué)鉆探船“Chikyu”出海，研究深海底生物圈的溫度極限。沉積物樣本是從穿過日本南海海槽地質(zhì)俯沖帶的鉆孔中采集的。

在這個地點，溫度隨著深度的增加而急劇上升，達(dá)到 120 °C，在海底 1200 米處，溫度接近生命極限。令他們驚訝的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個非常小但非?；钴S的微生物群落，在這些深沉而炎熱的條件下茁壯成長。

科學(xué)家們確定了沉積物中細(xì)胞的數(shù)量，并通過高度敏感的放射性示蹤劑測量甲烷產(chǎn)生和硫酸鹽還原來測量它們的代謝率。他們發(fā)現(xiàn)，對于深層生物圈來說，每個細(xì)胞的代謝率非常高。2022 年 1 月 25 日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的關(guān)于 2016 年收集的樣本的新發(fā)現(xiàn)揭示了生活在這種惡劣環(huán)境中的生物的生存策略。

拜羅伊特大學(xué)的 Felix Beulig 說：“我們建議有機(jī)體被迫保持高代謝周轉(zhuǎn)，這接近生活在表面沉積物和實驗室培養(yǎng)物中的微生物的活動，以提供修復(fù)熱細(xì)胞損傷所需的能量。” ，誰是該研究的主要作者。研究負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)洛杉磯分校教授蒂娜·特魯?shù)?(Tina Treude) 說：“修復(fù)對細(xì)胞成分的熱損傷所需的能量隨著溫度的升高而急劇增加，而這些能量中的大部分可能對于抵消氨基酸的持續(xù)變化和蛋白質(zhì)功能的喪失是必要的。”海洋地球微生物學(xué)。

在每立方厘米沉積物中少于 500 個細(xì)胞的沉積物中檢測微生物代謝活動絕非易事，這比平均地表沉積物低 7 個數(shù)量級。“我們在極其受控的無菌條件下工作，并在樣品孵化的同時進(jìn)行了大量的對照實驗，”德國地球科學(xué)研究中心的 Florian Schubert 說，他在博士期間進(jìn)行了這些分析。學(xué)習(xí)。Florian Schubert 的導(dǎo)師 Jens Kallmeyer 說：“我們甚至培養(yǎng)了用高伽馬輻射消毒的沉積物以及鉆孔中的鉆井液，以檢測任何潛在的非生物反應(yīng)或污染引起的微生物活動。”

FR-910科研級生物熒光顯微鏡

由于代謝率測定是在實驗室條件下進(jìn)行的，因此微生物是否會在其自然環(huán)境中表現(xiàn)出相同的代謝活動仍然存在一些不確定性。因此，科學(xué)家們將測得的代謝硫酸鹽還原率與計算得出的深層沉積物中溶解硫酸鹽的消耗時間進(jìn)行了比較。羅德島大學(xué)的 Arthur Spivack 說：“鑒于我們正在比較兩種非常不同的方法，它們作用于天和數(shù)百萬年的時間尺度，實驗速率確定和計算的耗盡時間之間的一致性非常好。”

在最深和最熱的沉積物中，硫酸鹽還原劑和產(chǎn)甲烷菌的高單細(xì)胞活性顯然是由來自沉積物孔隙水中的氫和醋酸鹽提供的。“醋酸鹽是一種有機(jī)小分子，也存在于醋中，作為一種潛在的食物來源特別令人感興趣，”來自德國 MARUM 的 Verena Heuer 說，他是這次考察的聯(lián)合首席科學(xué)家。“醋酸鹽在沉積物孔隙水中的濃度達(dá)到每升 10 毫摩爾以上，這對于海洋沉積物來說異常高。”

對于來自奧胡斯大學(xué)的 Bo Barker Jørgensen 來說，他是深部生物圈研究的先驅(qū)之一，在深部生物圈中檢測到高細(xì)胞特異性率是一個令人著迷的發(fā)現(xiàn)。“我們總是發(fā)現(xiàn)，深部生物圈中的微生物是一個極其緩慢的群落，它們會慢慢蠶食百萬年前埋藏的有機(jī)物的最后殘骸。但深層生物圈充滿了驚喜。在深海海底的這些高溫下發(fā)現(xiàn)以高代謝率蓬勃發(fā)展的生命，激發(fā)了我們對生命如何在地球以外行星體的類似環(huán)境中進(jìn)化或生存的想象。”

來自日本 JAMSTEC 的 Fumio Inagaki 和 Yuki Morono 是此次考察的另外兩位聯(lián)合首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)檢測沉積物中的細(xì)胞。當(dāng)被問及他們對探險隊沒有探測到深部生物圈的溫度上限這一事實有何看法時，兩人都說：“我們必須回去鉆得更深。地球內(nèi)部生物圈的最終極限仍然未知。正如該項目所示，邊界位于沉積物下方的海洋地殼中的某處。未來將通過科學(xué)的海洋鉆探來探索它。” 

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