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在极深、极热的海底中繁衍生息的生物中发现了令人惊讶的活动

Tina Treude 钻井船

在日本科学钻井船的 IODP 370 探险期间,收集了来自深热海底生物圈的沉积物样本。来源:JAMSTEC

自 1990 年代中期发现深海底生物圈以来,科学家们一直在研究生物在这种孤立且普遍缺乏食物的环境中茁壮成长的条件,并想知道哪些条件限制了生命的存在。2016年,一群国际科学家乘坐日本科学钻探船“Chikyu”出海研究深海底生物圈的温度极限。沉积物样本是从穿过日本南海海槽地质俯冲带的钻孔中采集的。

在这个地点,温度随着深度的增加而急剧上升,达到 120 °C,在海底 1200 米处,温度接近生命极限。令他们惊讶的是,科学家们发现了一个非常小但非常活跃的微生物群落,在这些深沉而炎热的条件下茁壮成长。

科学家们确定了沉积物中细胞的数量,并通过高度敏感的放射性示踪剂测量甲烷产生和硫酸盐还原来测量它们的代谢率。他们发现,对于深层生物圈来说,每个细胞的代谢率非常高。2022 年 1 月 25 日发表在《自然通讯》杂志上的关于 2016 年收集的样本的新发现揭示了生活在这种恶劣环境中的生物的生存策略。

拜罗伊特大学的 Felix Beulig 说:“我们建议有机体被迫保持高代谢周转,这接近生活在表面沉积物和实验室培养物中的微生物的活动,以提供修复热细胞损伤所需的能量。” ,谁是该研究的主要作者。研究负责人、加州大学洛杉矶分校教授蒂娜·特鲁德 (Tina Treude) 说:“修复对细胞成分的热损伤所需的能量随着温度的升高而急剧增加,而这些能量中的大部分可能对于抵消氨基酸的持续变化和蛋白质功能的丧失是必要的。”海洋地球微生物学。

在每立方厘米沉积物中少于 500 个细胞的沉积物中检测微生物代谢活动绝非易事,这比平均地表沉积物低 7 个数量级。“我们在极其受控的无菌条件下工作,并在样品孵化的同时进行了大量的对照实验,”德国地球科学研究中心的 Florian Schubert 说,他在博士期间进行了这些分析。学习。Florian Schubert 的导师 Jens Kallmeyer 说:“我们甚至培养了用高伽马辐射消毒的沉积物以及钻孔中的钻井液,以检测任何潜在的非生物反应或污染引起的微生物活动。”

FR-910科研级荧光显微镜

FR-910科研级生物荧光显微镜

由于代谢率测定是在实验室条件下进行的,因此微生物是否会在其自然环境中表现出相同的代谢活动仍然存在一些不确定性。因此,科学家们将测得的代谢硫酸盐还原率与计算得出的深层沉积物中溶解硫酸盐的消耗时间进行了比较。罗德岛大学的 Arthur Spivack 说:“鉴于我们正在比较两种非常不同的方法,它们作用于天和数百万年的时间尺度,实验速率确定和计算的耗尽时间之间的一致性非常好。”

在最深和最热的沉积物中,硫酸盐还原剂和产甲烷菌的高单细胞活性显然是由来自沉积物孔隙水中的氢和醋酸盐提供的。“醋酸盐是一种有机小分子,也存在于醋中,作为一种潜在的食物来源特别令人感兴趣,”来自德国 MARUM 的 Verena Heuer 说,他是这次考察的联合首席科学家。“醋酸盐在沉积物孔隙水中的浓度达到每升 10 毫摩尔以上,这对于海洋沉积物来说异常高。”

对于来自奥胡斯大学的 Bo Barker Jørgensen 来说,他是深部生物圈研究的先驱之一,在深部生物圈中检测到高细胞特异性率是一个令人着迷的发现。“我们总是发现,深部生物圈中的微生物是一个极其缓慢的群落,它们会慢慢蚕食百万年前埋藏的有机物的最后残骸。但深层生物圈充满了惊喜。在深海海底的这些高温下发现以高代谢率蓬勃发展的生命,激发了我们对生命如何在地球以外行星体的类似环境中进化或生存的想象。”

来自日本 JAMSTEC 的 Fumio Inagaki 和 Yuki Morono 是此次考察的另外两位联合首席科学家,负责检测沉积物中的细胞。当被问及他们对探险队没有探测到深部生物圈的温度上限这一事实有何看法时,两人都说:“我们必须回去钻得更深。地球内部生物圈的最终极限仍然未知。正如该项目所示,边界位于沉积物下方的海洋地壳中的某处。未来将通过科学的海洋钻探来探索它。” 

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