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数十亿年不晒阳光地球深层的生命仍然美妙

发布时间:2019-06-09 10:22:11
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出品|易科学人栏目组 小小

地球整体上并不是一块坚硬的岩石,它的表面以下是炽热的、黑暗的、破碎的,但那里的生命形式却奇异而美妙。

我们周围的大量生命形式都存在于地球薄薄的表面上,而对广阔的、鲜为人知的地下却所知有限。关于深层地下的一个普遍误解是,这个领域是由连续的、均匀压缩的固体岩石组成的。但很少有人意识到,这团岩石上有无数裂缝,水从这些裂缝和断层中渗入,直达地下数千米。深层地下支持着整个生物圈,它在很大程度上脱离了地表世界,而且我们刚刚开始对其进行探索和理解。

深层地下蕴含的水量相当可观。在全球范围内,地下水库的淡水数量是所有河流、湖泊和沼泽中可用淡水的100倍。这些水体的年龄从7岁到20亿岁不等,它们正被研究人员深入研究,因为它定义了深层地下生命的位置和范围。我们现在知道,深层陆地表面是1万亿简单(原核)细胞的家园,这是生活在广阔海域中细胞的2到20倍。然而有些人估计,深层地下生物圈可能包含地球上1/3的生物量。

要理解深层地下生物圈,我们必须超越熟悉的生物学规律。从表面上看,长时间没有太阳的生活是危险的或致命的。没有阳光,植物和庄稼都无法生长,气温变得越来越冷,很少有生物能够长期忍受这样的条件,包括人类。举例来说,居住在北极圈内的人们,以及冬季驻留在南极考察站的维修人员,每年都要经历几个月24小时处于黑暗状态的日子。他们更容易受到诸如抑郁症等健康问题的影响。他们找到了适应和熬过漫长、黑暗、寒冷冬天的方法,但这并不容易。

现在想象一下,那些被隔绝阳光和有机化合物的地方所面临的挑战,那里的生命已经数百万甚至数十亿年不再依赖阳光。任何能在那里生存的东西,似乎都是令人无法理解的。然而,包括美国普林斯顿大学研究人员在内的科学家,却已经在地球深处发现了令人惊讶的不同微生物,它们已经适应了不依赖于太阳的生活方式。

阳光可以穿透大约1000米深的海水,但它无法穿透几厘米厚的土壤或岩石。然而,在深层地下,寒冷并不是问题。恰恰相反:雨水沿着裂隙和断层岩石之间渗透到地下数千米后,温度可以达到60摄氏度以上。从表面到地下,越深就越接近地幔。从地心上升的热量使渗透进来的水变暖。此外,水处于高压下,几乎不含氧气,而且还受到岩石中天然放射性元素的辐射轰击。

然而,这种地狱般的环境却存在生命诞生和维持生存的关键因素。地下水与大陆地壳中的矿物质发生了反应,而水被困的时间越长,这些反应结果就越有可能在其流动路径中积累。水和岩石之间的缓慢反应将矿物质溶解到水里,而水分子也会分解,并产生氢分子。这种氢是深层地下微生物所需的重要燃料。

我们也开始绘制出深层地下不同的生态系统和种群。一般来说,较老的地下裂缝水盐度更高,溶解的氢的浓度也较高。我们的研究和许多同事此前的研究已经显示出一种明显的趋势,即生活在更古老、更咸水里的微生物明显不同于那些生活在更年轻、不含盐的水中微生物。

古老的水生态系统主要由产氢的微生物(如硫酸盐还原细菌)和产甲烷的古生菌组成。那些产甲烷菌是一种微生物,在视觉上类似于细菌,但在结构上和基因上却与细菌截然不同,它们属于完全不同的生命领域。硫酸盐还原菌和产甲烷菌是进化史上早期出现的生命形式。与此相反,年轻的水生态系统主要是由多种多样且多才多艺的细菌组成。

对深层地下生态系统的研究已经在许多科学领域引起了共鸣。它们激发了许多关于生命起源和新陈代谢极限的新观点,同时也在填写关于地球上碳的循环、分布和储存的诸多新细节。深层地下大陆生态系统将有助于在像火星这样的岩石行星上寻找地下生命,而深海和海底生态系统反过来将帮助研究人员评估生活在木卫二(Europa)和土卫二(Enceladus)海洋中的生物体的可能性及其性质。这项研究的意义甚至在范围上囊括了整个宇宙。

据估计,地下微生物的寿命非常长。在我们的研究中,它们的生命周期甚至可以达到1000年,这意味着它们每隔几千年才会分裂一次。从这个角度来看,普通肠道细菌大肠杆菌(li)每20分钟就会分裂一次。一个长期存在的问题是,深层地下微生物如何产生这种“慢镜头”生活方式的?

在深层地下生活并不容易,因为利用矿物质和地质气体能量的生化反应(也被称为化学营养反应)并不像光合作用那样高效。在光合作用下,绿色植物可以捕获和利用照射在地面上的阳光光子能量。有些地下微生物可以形成抗应力的孢子,保持不活跃状态,以抵御极端的地下条件。否则,微生物必须耗费特定数量的能量,以维持细胞的完整性和正常功能。

现在,基因测序技术使我们能够详细地研究有机体可能对哪些环境成分进行代谢。我们还可以用元基因组学(metagenomics)来研究整个群体的代谢潜能,这是一种研究群体遗传多样性的方法。这些方法共同揭示了深层地下生物群落的总体结构和功能。我们对以蛋白质细菌为主的群体(从陆地表面以下1000米到3000米处收集)研究表明,它们彼此之间有着高度的相似性,这是由一种称为16S核糖体RNA的遗传标记所决定的。

然而,相同的功能特征却由不同的分类群携带。这一变化不能通过收集点不同来解释,也不能通过每个地点独特的物理化学特征来解释,而通常是由生态影响的因素所决定的。无论是深度还是水的停留时间似乎都不是造成这种差异的重要因素。未来对地下微生物起源的调查,以及它们在地质历史上的进化和运动,将有助于我们对地下生物地理学或生活景观的理解。

我们近完成了一项研究,用高通量测序法来研究地下微生物,以观察总RNA和蛋白质的数量。在2015年的一篇论文中,我们首次描述了在地下被积极执行的综合代谢功能络。在南非Beatrix金矿地表下1300米处,活跃的生物群体由39个系属组成,包括三大生物领域——细菌、古生菌和真核生物,这些领域甚至包括人类在内的复杂生物。总的来说,生态系统被蛋白质细菌所主导。

分子数据,连同同位素地球化学和热力学模拟,得出了共同的结论,成功的深层地下群体是betaproteobacteria,一种蛋白质细菌,它们通过硝酸盐还原和硫氧化的耦合获得能量,以固定二氧化碳促进细胞生长。深层地下微生物对硝酸盐的需求是出人意料的,在我们的研究之前,它没有被注意到,因为在地下水样品中测量的硝酸盐浓度很小。更有趣的是,我们推断,深层地下微生物群已经建立了强大的、成对的代谢伙伴关系或合成关系,这有助于有机体克服从岩石中提取有限能量的挑战。这些微生物并没有直接相互竞争,而是建立了一个双赢的合作关系。

微生物细胞中的大部分碳都是直接从甲烷中间接获得的。这是正确的,尽管甲烷菌和甲烷氧化微生物在我们的样本中所占比例不到1%,这个比例惊人的低,因为甲烷是我们所研究的水样本中丰富的溶解气体(占80%)。无论是在时间还是在空间上,不同种类的微生物类群在深层地下回收甲烷存在很大不同。

尽管存在代谢伙伴关系的优势,但有些深层地下微生物已经进化到单独行动的程度。通过元基因组学和基于基因组的分析,劳伦斯-伯克利国家实验室的研究科学家迪伦·奇威(Dylan Chivian)发现了一种硫酸盐还原细菌——Candidatus Desulforudis audaxviator,它能够以完全自给自足的方式生活在地下生态系统中。自从这一发现于2008年发表以来,在大陆和海洋地下的其他地方都发现了这种细菌的踪迹。

单细胞基因组数据表明,古代病毒感染将古菌基因转移到Candidatus Desulforudis audaxviator细胞中,为细菌的“自力更生”提供了基因机制。单细胞基因组数据不仅允许我们研究深层地下微生物基因组材料的细胞间变异情况,而且还能恢复无法培养的微生物基因组蓝图。这些被忽视的生物有时被称为“微生物暗物质”,因为它们通常可逃过传统的实验室方法检测。与天文学上的暗物质一样,微生物暗物质远远超过了可见微生物的量。在人工实验室条件下,大约99%的微生物不会生长。我们必须依靠单细胞基因组学和元基因组学来寻找深层地下的微生物暗物质。

甚至在我们和其他几个研究团队意识到细菌和病毒已经在严酷的深层地下殖民的时候,大多数科学家仍然认为,没有比这些单细胞生物更复杂的东西能够在那里生存下去。更复杂的是,多细胞生物在低氧水平和高压力环境下的适应能力较弱,它们需要更多的食物。同样,在2006年,我们的团队开始在深层地下寻找线虫。

线虫(通常被称为蛔虫,不要与蚯蚓混淆)是十分常见的多细胞生物。与昆虫一起,它们是地球上主要的动物族群。线虫多数体积很小,虽然有些可以长到几米长,但大多数都小于1毫米。它们的起源可追溯至11亿年前,即植物和动物进化后不久。线虫被认为是地球上古老的多细胞生物之一。从土壤到海洋,它们几乎征服了地球上所有的生态系统,有些甚至进化到寄生植物和动物身上,包括人类。

之所以选择在深层地下寻找线虫,是因为它们有在极端环境下生存下来的可靠记录。许多物种在面临威胁生命的条件时能够改变自己的生命周期,并形成了一个生存期,它们的新陈代谢会大大减少。通过这种方式,它们能够在缺氧、酷热、干旱、冰冻和有毒的环境生存数十年,然后在潮湿或条件充足的情况下恢复过来。

线虫也能承受巨大的压力。2003年,当哥伦比亚号航天飞机在重返大气层时解体时,载有线虫的一项生物实验容器从海拔42千米的高空自由降落。他们的罐子以大约2500倍重力的力量击中了地面。几周后,实验容器被找到。罐子里的线虫不仅经受住了考验,而且还在繁殖。此外,人类需要在氧气比例达到21%的大气层中才能正常呼吸,而线虫可以在氧气比例仅为0.5%的环境中无限期存活,而且许多物种可以存活更长时间,甚至在更少或根本没有氧气的环境下。

我们对深层地下线虫的搜寻促使在2011年发现了一种新的线虫Halicephalobus mephisto,它的字面意思是“魔鬼蠕虫”。在Beatrix金矿深度约1300米的地方,我们从裂缝流出的水中发现了线虫。碳年代测定显示,那里的水大约有3000年的历史。在接下来的几年里,我们在3800多米的地下深处发现了更多的线虫。

在发现了“魔鬼蠕虫”后,我们进行了长达两年的过滤取样。在此期间,我们过滤了来自地下1400米的升水。这一努力导致我们在有12300年历史的水中发现了一个完整的无脊椎动物乐园,这里有各种各样的扁虫、线虫、轮虫、节肢动物、退火菌、真菌和原生动物,整个社区显得生机勃勃。

基因分析显示,这些生物都不是新物种,而是地表上的已知物种。进一步的调查显示,几乎所有复杂的地下居民都有共同的特点:它们的分布非常广泛,因此很适合生活在极端环境中。当时,我们还制作了一段生物膜的视频片段,一层薄薄的、独立的生命层,附着在岩石深处的缝隙里。这个生物膜由细菌和有机基质组成,是所有这些动物的家园。

我们还发现了一些非动物物种,比如真菌和原生动物,它们生活在从7000到50万年前不等的深裂缝水中。通常它们在裂隙水里的数量很低,每10000升水中只有一个样本。相比之下,在某些地区,我们发现细菌生物膜上每平方米的生物数量密度超过100万。因为已知的地下动物都很小,我们的拇指或许就可以容纳整个生态系统,里面包含几百个小型无脊椎动物、真菌和原生动物。

地表和地下物种的共性对持续研究构成了挑战。在任何时候,我们必须进行广泛的分析,以确保发现的任何标本都不是我们正在挖掘污染的结果。我们还测量了水的年龄,以确定它没有受到近化学和细菌技术所影响。我们必须时刻保持无菌状态。这有点儿类似于前往火星上分析样本,以寻找外星生命存在的证据。

除了Halicephalobus mephisto,我们从来没有在Beatrix矿场发现过任何全新的多细胞生物。乍一看,这似乎是违反直觉的,因为我们预期深层地下有个长期的自适应选择过程,这会导致新的生命形式出现。然而,事后看来,这并不令人惊讶。世界上任何地方的任何一块土壤中,线虫(或任何其他小型无脊椎动物)每天和每个季节都会经压力循环。

在晴朗的日子里,阳光会使土壤变得干燥。而在下雨时,水坑可能会切断所有的氧气。在夜间,水冻成冰或更大的动物踩在地上都会增加压力,导致土壤被扰乱。总之,生活在土壤表面的动物每天都承受着压力。许多被水运送到深层地下的生物体很久以前就已经适应了极端环境,所以它们不需要长期的适应选择过程才能生存下来。

即使在我们发现了生活在地下的生物的惊人之处之后,我们仍然对发现它们的地方感到措手不及。在我们对Beatrix矿的调查中,我们发现了线虫生活在含盐的钟乳石内,深度达1400米。此外,这种线虫也适应了咸水生活,甚至无法在淡水中存活。从表面上看,这个物种早在几年前就被发现生活在咸水环境中。尽管Beatrix矿场位于一个干盐锅中,但令人感到困惑的是,依赖于盐的地表蠕虫是如何克服致命淡水的威胁成功进入地下如此深度的?

深入地下的过程尚不清楚,这也是目前研究的重点课题。即使在没有答案的情况下,更广泛的认识是复杂的地表生命形式也能在深层地下存活,这对于在太阳系中行星及其卫星上寻找生命来说是个好消息。举例来说,在火星地表条件变得不适宜居住之后,类似的迁移过程可能会将生命形式传送到深层地下。

我们进入地球内部寻找生命的旅程才刚刚开始。我们感兴趣的是,深层地下的物种是否真的像它们看起来那样孤立,这种地表-地下迁徙是否是双向的,某些地下生物能否通过温泉重新出现在地表上。我们对Limpopo地区的温泉水域以及南非南部和西开普省南部的分析,并没有发现这种重新出现的任何证据。然而,这是个很有争议的问题,我们正在继续调查,因为它将告诉我们,在地表和深层地下之间交换的遗传物质有多频繁。

,我们认识到,我们可能只探索了深层地下生物圈的一小部分,可能还没有遇到它重要的居民。这种观点的理由是,如果来自地表的世界性物种能够在深层地下生存下来,并与地表同类分离开来,那么在很长一段时间内,有些生物可能已经适应了更深地下的条件。也许此刻在我们的脚下,就有无数奇异而美妙的生命形式正等待我们去发现。(小小)

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