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(dòng)

在日本科學(xué)鉆井船的 IODP 370 探險(xiǎn)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(gè)地點(diǎn)，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(gè)非常小但非常活躍的微生物群落，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(gè)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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)物中的微生物的活動(dòng)，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(gè)細(xì)胞的沉積物中檢測微生物代謝活動(dòng)絕非易事，這比平均地表沉積物低 7 個(gè)數(shù)量級(jí)。“我們在極其受控的無菌條件下工作，并在樣品孵化的同時(shí)進(jìn)行了大量的對照實(shí)驗(yàn)，”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(dòng)。”

FR-910科研級(jí)生物熒光顯微鏡

由于代謝率測定是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，因此微生物是否會(huì)在其自然環(huán)境中表現(xiàn)出相同的代謝活動(dòng)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(jì)算得出的深層沉積物中溶解硫酸鹽的消耗時(shí)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(shí)間尺度，實(shí)驗(yàn)速率確定和計(jì)算的耗盡時(shí)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(gè)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(gè)極其緩慢的群落，它們會(huì)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(xiǎn)隊(duì)沒有探測到深部生物圈的溫度上限這一事實(shí)有何看法時(shí)，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(xiàng)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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