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洋底之下的生物再次拓宽生命的边界

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发表于 2020-5-22 12:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
洋底之下的生物再次拓宽生命的边界

Original 小鸭
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○ 海洋中的微生物世界。| 素材参考:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine;设计:雯雯子


                               
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暗无天日、缺乏营养物质、承受着难以想象的压力……在我们眼中,在大洋洋底深处的岩石,实在算不上是个舒适的家园。但随着新发现的涌现,科学家对生命在极端环境中的认知再次被拓宽。

目前主流学说认为,地球生命大约起源于35亿年前。用达尔文的话说,生命最初可能来自一个“温暖的小池塘”。现如今,我们已经在地球的各个角落发现了生命的存在——沸腾的热泉口、干燥的沙漠、极地的冰层、酸性的池塘……近日,在洋底火山岩内狭小的缝隙中,科学家发现了新的生命迹象

研究的第一作者、东京大学的铃木庸平(Yohey Suzuki)教授回忆起他第一次看到海底岩石样本中的细菌时说:“我以为这是一场梦,看到了海底岩石中有如此丰富的微生物生命。”研究论文已于近日发表在《生物学通讯》上。


                               
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地壳原本是地质学家的“乐园”。但早在上世纪20年代,曾有研究人员报告在油井深处发现了细菌的存在。但考虑到样本污染的可能,类似的发现很长时间以来都没有受到重视。

直到1977年,一切都变了。科学家在板块交界处的洋脊附近第一次发现了海底热泉口独特的生态系统。海底的水被地热加热,从热泉口和裂缝中喷发,看起来像烟囱一样。热泉口附近的生态系统丰富多彩,在暗无天日的海底繁茂生长。也是第一次,科学家意识到,一些地球生态系统并不需要阳光,微生物依靠热泉口释放的矿物和化学物质仍然能够生存。

自20世纪80年代起,科学家不断深入地下,探究大陆和海洋之下的世界。陆地和海底钻探项目揭示出了一个深入地下的生物圈——无论多深,无论看起来多么营养贫瘠,“生命似乎总能找到出路”。

在这项新的研究中,铃木和他的同事们发现细菌的岩石样本是他于2010年参与综合大洋钻探计划(IODP)时帮助采集的。IODP是近年来地球科学中最有影响力的国际合作项目之一。

在IODP远征329中,研究船带领一队研究人员从太平洋中部的热带岛屿塔希提岛,到达新西兰的奥克兰。航线穿过南太平洋环流,在三个地点抛锚,并使用了一根5.7千米的金属管到达洋底,在洋底以下125米钻取岩芯样本,每个样本直径约6.2厘米。洋底最上层约75米是泥质沉积物,随后研究人员又收集到了约40米的固体岩石。


                               
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○ 2010年,IODP远征329中研究人员采集到了类似的岩石样本。| 图片来源:Caitlin Devor, The University of Tokyo

样本经过消毒和处理,防止表面污染的可能。一直以来,铃木一直相信细菌可能存在其中,但他始终没能找到。当时,在岩石样本中发现细菌的标准方法是把岩石的外层切掉,然后把岩石的中心磨成粉末,从中找出细胞。

铃木决定采用一种新的方法,他从病理学家那里获得了灵感,因为病理学家会准备超薄的身体组织样本切片来诊断疾病。铃木决定在岩石上涂一层特殊的环氧树脂,保持岩石的自然形状,然后切下薄片,并且能保证岩石不会碎裂。


                               
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○ 铃木教授切下的一片岩石薄片示例。他用环氧树脂预先处理了样本,保证岩石的形状。| 图片来源:Caitlin Devor, The University of Tokyo

然后,他用染色剂将这些固体岩石薄片染色,放在显微镜下观察。细菌看起来像是发光的绿色球体,紧紧地挤在橙色的“隧道”里,而“隧道”周围是灰黑色的岩石。


                               
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○ 需氧细菌密集地生活在海底固体岩石样本的黏土矿物“隧道”中。上方是用普通光拍摄的,下方是用荧光拍摄的。固体玄武岩是灰黑色,黏土矿物为橙色,细菌细胞是绿色的球。| 图片来源:参考资料[3]


                               
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显微镜下的橙色其实来自黏土矿物沉积物,正是这种“神奇物质”让细菌有了一个“舒适”的生活场所。

海底火山喷出的熔岩温度可以达到约1200摄氏度,随着温度的降低,熔岩会形成岩石,并产生许多缝隙。这些裂缝往往很窄,通常不到1毫米宽。千百万年来,这些裂缝中充满了黏土矿物,这些黏土就和我们用来制作陶器的黏土差不多。细菌找到了进入这些裂缝的方法,并在裂缝的黏土中开始了繁殖。

全基因组DNA分析确定了生活在裂缝中的不同种类的细菌。裂缝中发现的微生物是需氧细菌,这意味着它们依靠氧气和有机养分生活。来自不同地点的样本有相似但不完全相同的细菌种类。

在不同的钻探地点,岩石样本的年龄略有差异,它们分别被估计在约1350万年、3350万年以及1.04亿年前,这可能会影响积累的矿物类型,以及裂缝中常见细菌的种类。

根据研究人员估计,岩石裂缝中细菌群落的密度甚至可能和人类肠道相当,每立方厘米存在约100亿个细菌细胞。相比之下,生活在海底淤泥沉积物中的细菌的平均密度只有约每立方厘米100个细胞。铃木和同事推测,充满黏土矿物的裂缝集中了细菌用作“燃料”的营养物质。这或许可以解释,为什么岩石裂缝中的细菌密度比海水稀释营养物质的淤泥沉积物中自由生活的细菌密度大8个数量级。

“这些裂缝是一个非常适合生存的生活场所。黏土矿物就像地球上的神奇物质,如果你能找到黏土矿物,你几乎总能找到生活在其中的微生物,”铃木解释说。


                               
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对铃木来说,这是个幸运的意外发现,在他几乎快要放弃时出现了。然而,这项结果同时改变了他对地外生命,比如火星上生命的期待。

填充深海岩石裂缝的黏土矿物,可能与火星表面岩石中的矿物相似。“矿物就像是一种指纹,能够表明黏土形成时的条件。中性到微碱性、低温、中等盐度、富铁环境、玄武岩——这些条件都是深海和火星表面共有的。”铃木说。

铃木的研究小组正开始与NASA合作,设计方法来检验从火星表面收集的岩石。曾经没人预料到会在海底坚硬的岩石中发现生命,而这也可能改写在太空中寻找生命的游戏。


参考来源:[1] https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00099.html[2] https://www.quantamagazine.org/i ... t-the-sun-20200513/[3] https://www.nature.com/articles/s42003-020-0860-1
封面图来源:OSU / Flickr


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