数十亿年不晒阳光:地球深层的生命仍然美妙

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  地球全体上其实不是一块坚固的岩石,它的概况以下是火热的、暗中的、破裂的,但那边的性命方式却奇怪而美好。

  在深层公开生活其实不简单,由于操纵矿物资和地质气体能量的生化反响(也被称为化学养分反响)其实不像光互助用那样高效。在光互助用下,绿色动物能够捕捉和操纵映照在空中上的阳光光子能量。有些公开微生物能够构成抗应力的胞子,坚持不活泼形态,以抵挡极度的公开前提。不然,微生物必需花费特定命量的能量,以保持细胞的完备性和一般功效。

  此刻,基因测序技能使我们可以具体地研讨无机体大概对哪些情况成份举行代谢。我们还能够用元基因组学(metagenomics)来研讨全部群体的代谢潜能,这是一种研讨群体遗传多样性的办法。这些办法配合揭露了深层公开生物群落的整体布局和功效。我们对以卵白质细菌为主的群体(从海洋概况以下1000米到3000米处搜集)研讨标明,它们相互之间有着高度的类似性,这是由一种称为16S核糖体RNA的遗传标志所决议的。

  但是,不异的功效特点却由差别的分类群照顾。这一变革不可经过搜集点差别来表明,也不可经过每一个地址共同的物理化学特点来表明,而凡是是由最具生态影响的身分所决议的。不管是深度仍是水的逗留工夫仿佛都不是形成这类差别的紧张身分。将来对公开微生物发源的观察,以及它们在地质历史上的退化和活动,将有助于我们对公开生物地舆学或生活景观的懂得。

  我们近来完成了一项研讨,用高通量测序法来研讨公开微生物,以察看总RNA和卵白质的数目。在2015年的一篇论文中,我们初次描绘了在公开被主动履行的综合代谢功效收集。在南非Beatrix金矿地表下1300米处,活泼的生物群体由39个系属构成,包含三大生物范畴细菌、古生菌和真核生物,这些范畴乃至包含人类在内的庞大生物。总的来讲,生态零碎被卵白质细菌所主导。

  份子数据,连同同位素地球化学和热力学摹拟,得出了配合的结论,最乐成的深层公开群体是betaproteobacteria,一种卵白质细菌,它们经过硝酸盐复原和硫氧化的耦合得到能量,以牢固二氧化碳增进细胞发展。深层公开微生物对硝酸盐的需求是出其不意的,在我们的研讨之前,它没有被留意到,由于在公开水样品中丈量的硝酸盐浓度很小。更风趣的是,我们揣度,深层公开微生物群曾经成立了强盛的、成对的代谢火伴干系或分解干系,这有助于无机体降服从岩石中提取无限能量的挑衅。这些微生物并没有间接彼此合作,而是成立了一个共赢的互助干系。

  微生物细胞中的大部份碳都是间接从甲烷两头接得到的。这是精确的,虽然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,由于甲烷是我们所研讨的水样本中最丰厚的消融气体(占80%)。不管是在工夫仍是在空间上,差别品种的微生物类群在深层公开接纳甲烷存在很大差别。

  虽然存在代谢火伴干系的劣势,但有些深层公开微生物曾经退化到独自步履的水平。经过元基因组学和基于基因组的阐发,劳伦斯-伯克利国度尝试室的研讨迷信家迪伦奇威(Dylan Chivian)发明了一种硫酸盐复原细菌Candidatus Desulforudis audaxviator,它可以以完整自力更生的方法生活在公开生态零碎中。自从这一发明于2008年颁发以来,在大陆和陆地公开的其他处所都发明了这类细菌的踪影。

  单细胞基因组数据标明,现代病毒传染将古菌基因转移到Candidatus Desulforudis audaxviator细胞中,为细菌的独立重生供给了基因机制。单细胞基因组数据不但答应我们研讨深层公开微生物基因组质料的细胞间变异环境,并且还能规复没法培育的微生物基因组蓝图。这些被轻忽的生物偶然被称为微生物暗物资,由于它们凡是可逃过传统的尝试室办法检测。与地理学上的暗物资一样,微生物暗物资远远超越了可见微生物的量。在野生尝试室前提下,约莫99%的微生物不会发展。我们必需依附单细胞基因组学和元基因组学来探求深层公开的微生物暗物资。

  乃至在我们和其他几个研讨团队认识到细菌和病毒曾经在残酷的深层公开殖平易近的时辰,大大都迷信家仍旧以为,没有比这些单细胞生物更庞大的工具可以在那边保存下去。更庞大的是,多细胞生物在低氧程度和高压力情况下的顺应本领较弱,它们必要更多的食品。一样,在2006年,我们的团队开端在深层公开探求线虫。

  在发明了妖怪蠕虫后,我们举行了长达两年的过滤取样。在此时代,我们过滤了来自公开1400米的12845647升水。这一积极招致我们在有12300年历史的水中发明了一个完备的无脊椎植物乐土,这里有各类百般的扁虫、线虫、轮虫、节肢植物、退火菌、真菌和原活泼物,全部社区显得朝气勃勃。

  基因阐发表现,这些生物都不是新物种,而是地表上的已知物种。进一步的观察表现,几近全部庞大的公开住民都有配合的特色:它们的漫衍很是遍及,是以很得当生活在极度情况中。那时,我们还建造了一段生物膜的视频片断,一层薄薄的、自力的性命层,附着在岩石深处的裂缝里。这个生物膜由细菌和无机基质构成,是全部这些植物的故里。

  我们还发明了一些非植物物种,比方真菌和原活泼物,它们生活在从7000到50万年前不等的深缝隙水中。凡是它们在裂隙水里的数目很低,每10000升水中只要一个样本。比拟之下,在某些地域,我们发明细菌生物膜上每平方米的生物数目密度超越100万。由于已知的公开植物都很小,我们的拇指大概便可以包容全部生态零碎,内里包括几百个小型无脊椎植物、真菌和原活泼物。

  地表和公开物种的个性对继续研讨组成了挑衅。在任什么时候候,我们必需举行遍及的阐发,以确保发明的任何标本都不是我们正在发掘净化的成果。我们还丈量了水的春秋,以断定它没有遭到近来化学和细菌技能所影响。我们必需时辰坚持无菌形态。这有点儿近似于前去火星上阐发样本,以探求外星性命存在的证据。

  除了Halicephalobus mephisto,我们历来没有在Beatrix矿场发明过任何全新的多细胞生物。乍一看,这仿佛是违背直觉的,由于我们预期深层公开有个持久的自顺应挑选进程,这会招致新的性命方式呈现。但是,过后看来,这其实不使人诧异。天下上任何处所的任何一块泥土中,线虫(或任何其他小型无脊椎植物)天天和每一个季候城市经压力轮回。

  在明朗的日子里,阳光会使泥土变得枯燥。而鄙人雨时,水坑大概会堵截全部的氧气。在夜间,水冻成冰或更大的植物踩在地上城市添加压力,招致泥土被捣乱。总之,生活在泥土概况的植物天天都接受着压力。很多被水输送到深层公开的生物体好久从前就曾经顺应了极度情况,以是它们不必要持久的顺应挑选进程才干保存上去。

  即便在我们发明了生活在公开的生物的惊人的地方以后,我们仍旧对发明它们的处所感触措手不及。在我们对Beatrix矿的观察中,我们发明了线虫生活在含盐的钟乳石内,深度达1400米。别的,这类线虫也顺应了淡水生活,乃至没法在海水中存活。从概况上看,这个物种早在几年前就被发明生活在淡水情况中。虽然Beatrix矿场位于一个干盐锅中,但使人感触猜疑的是,依附于盐的地表蠕虫是若何降服致命海水的威逼乐成进上天下如斯深度的?

  深化公开的进程尚不分明,这也是今朝研讨的重点课题。即便在没有谜底的环境下,更遍及的看法是庞大的地表性命方式也能在深层公开存活,这对付在太阳系中行星及其卫星上探求性命来讲是个好动静。举例来讲,在火星地表前提变得不合适栖身以后,近似的迁徙进程大概会将性命方式传送到深层公开。

  我们进上天球外部探求性命的路程才方才开端。我们感爱好的是,深层公开的物种能否真的像它们看起来那样伶仃,这类地表-公开迁移能否是双向的,某些公开生物可否经过温泉从头呈现在地表上。我们对Limpopo地域的温泉水域以及南非南部和西开普省南部的阐发,并没有发明这类从头呈现的任何证据。但是,这是个很有争议的成绩,我们正在持续观察,由于它将报告我们,在地表和深层公开之间互换的遗传物资有多频仍。

  末了,我们看法到,我们大概只摸索了深层公开生物圈的一小部份,大概还没有碰到它最紧张的住民。这类概念的来由是,假如来自地表的天下性物种可以在深层公开保存上去,并与地表同类别离开来,那末在很长一段工夫内,有些生物大概曾经顺应了更深公开的前提。大概现在在我们的脚下,就有没有不偶异而美好的性命方式正等候我们去发明。(小小)

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