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在極深、極熱的海底中繁衍生息的生物中發(fā)現了令人驚訝的活動(dòng)

Tina Treude 鉆井船

在日本科學(xué)鉆井船的 IODP 370 探險期間,收集了來(lái)自深熱海底生物圈的沉積物樣本。來(lái)源:JAMSTEC

自 1990 年代中期發(fā)現深海底生物圈以來(lái),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(cháng)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(guò)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(zhù)深度的增加而急劇上升,達到 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)現了一個(gè)非常小但非?;钴S的微生物群落,在這些深沉而炎熱的條件下茁壯成長(cháng)。

科學(xué)家們確定了沉積物中細胞的數量,并通過(guò)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(lái)測量它們的代謝率。他們發(fā)現,對于深層生物圈來(lái)說(shuō),每個(gè)細胞的代謝率非常高。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(shuō):“我們建議有機體被迫保持高代謝周轉,這接近生活在表面沉積物和實(shí)驗室培養物中的微生物的活動(dòng),以提供修復熱細胞損傷所需的能量。” ,誰(shuí)是該研究的主要作者。研究負責人、加州大學(xué)洛杉磯分校教授蒂娜·特魯德 (Tina Treude) 說(shuō):“修復對細胞成分的熱損傷所需的能量隨著(zhù)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)數量級。“我們在極其受控的無(wú)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,”德國地球科學(xué)研究中心的 Florian Schubert 說(shuō),他在博士期間進(jìn)行了這些分析。學(xué)習。Florian Schubert 的導師 Jens Kallmeyer 說(shuō):“我們甚至培養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或污染引起的微生物活動(dòng)。”

FR-910科研級熒光顯微鏡

FR-910科研級生物熒光顯微鏡

由于代謝率測定是在實(shí)驗室條件下進(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(shuō):“鑒于我們正在比較兩種非常不同的方法,它們作用于天和數百萬(wàn)年的時(shí)間尺度,實(shí)驗速率確定和計算的耗盡時(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)甲烷菌的高單細胞活性顯然是由來(lái)自沉積物孔隙水中的氫和醋酸鹽提供的。“醋酸鹽是一種有機小分子,也存在于醋中,作為一種潛在的食物來(lái)源特別令人感興趣,”來(lái)自德國 MARUM 的 Verena Heuer 說(shuō),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到每升 10 毫摩爾以上,這對于海洋沉積物來(lái)說(shuō)異常高。”

對于來(lái)自?shī)W胡斯大學(xué)的 Bo Barker Jørgensen 來(lái)說(shuō),他是深部生物圈研究的先驅之一,在深部生物圈中檢測到高細胞特異性率是一個(gè)令人著(zhù)迷的發(fā)現。“我們總是發(fā)現,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(wàn)年前埋藏的有機物的最后殘骸。但深層生物圈充滿(mǎn)了驚喜。在深海海底的這些高溫下發(fā)現以高代謝率蓬勃發(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(lèi)似環(huán)境中進(jìn)化或生存的想象。”

來(lái)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,負責檢測沉積物中的細胞。當被問(wèn)及他們對探險隊沒(méi)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(shuō):“我們必須回去鉆得更深。地球內部生物圈的最終極限仍然未知。正如該項目所示,邊界位于沉積物下方的海洋地殼中的某處。未來(lái)將通過(guò)科學(xué)的海洋鉆探來(lái)探索它。” 

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