哪种微生物在我们脚下的深处繁盛——在金矿、含水层和深海钻孔等地方——它们与地球表面(陆地和水域)上的微生物群落相比如何?一项开创性的全球研究解决了这个重要问题,揭示了某些地下环境中微生物的惊人多样性。这个发现突显了潜在的广泛、未被探索的地下多样性,可能导致新化合物和药物的发现,改善我们对细胞如何适应低能量环境的理解,并增强我们寻找地球以外生命的能力。
哪些微生物在我们脚下的黑暗中茁壮成长——在金矿、含水层和深海钻孔中——这些微生物与地球表面的微生物群落(无论是陆地还是水域)相比如何?
在伍兹霍尔的海洋生物实验室(MBL)进行的首个全球研究,探讨了这个广泛的问题,揭示了一些地下地点(深达海底491米和地下4375米)意外地拥有高水平的微生物多样性。
这一揭示表明,存在大量未被探索的地下微生物多样性储藏,这可能有助于发现新化合物和药物,增进对细胞如何在极低能量条件下生存的理解,并有助于寻找外星生命的努力。这项研究由MBL副研究员埃米尔·拉夫领导,已于本周发表在《科学进展》杂志上。
拉夫解释说:“人们常常认为,越往地壳深处能量越少,能生存的细胞数量就越少。”他说:“与此相反,热带森林或珊瑚礁等能量丰富的地区,由于阳光充足和温暖,支持高水平的多样性。”
他说:“然而,我们发现,在某些地下环境中,微生物多样性可以与表面上发现的多样性相匹配,甚至超过。这在海洋环境和古菌(Archaea)微生物中特别明显。”
这项耗时8年完成的综合研究也是首批比较海洋和陆地环境微生物多样性及群落结构的研究之一。
拉夫指出:“考虑植物和动物——很少有物种能同时适应海洋和陆地环境,鲑鱼是一个罕见的例外。”他说:“这引发了一个有趣的问题:微生物在这方面是否相似?”
答案是肯定的。研究发现海洋和陆地微生物群落的组成存在显著差异,尽管它们的多样性水平看起来相似。
拉夫表示:“这表明了一个基本的生态原则。”他说:“海洋和陆地环境中的生命形式之间存在明显的区别,这不仅体现在表面上,也体现在其下。每个领域中不同的选择压力导致了一种独特生物的进化,这些生物在两种栖息地中都难以生存。”
深邃、黑暗、缓慢的生命
拉夫说:“科学家们在20世纪90年代中期首次认识到深达数公里的岩石和海底沉积物中存在大量微生物。”目前的估计显示,50-80%的地球微生物细胞栖息在地下,那里能量的可获得性可能远低于阳光照射的表面。
拉夫指出:“这项研究表明,可能一半的地球微生物多样性隐藏在这些地下栖息地中。”他说:“有趣的是,在如此低能量环境中生活的微生物发展往往较慢,有时达到绝对最低值。估计表明,一些地下微生物的平均分裂时间为1000年。这意味着它们的生命跨度存在显著差异,我们可以从中获得关于衰老的宝贵见解。”
拉夫说:“为了在地下生存,进化上有利于尽量减少能量需求,优化每个代谢过程以实现最大能量效率。”他说:“研究这一点可以教会我们如何在资源稀缺的情况下高效运作。”
如果火星或其他行星在过去的某个时刻曾拥有液态水——有证据表明火星曾经拥有过——那么在其表面下3公里处发现的岩石生态系统可能与地球上的相似,拉夫提出。“能量水平会非常低;生物的世代时间会很长。理解地球上的深层生命可能成为探索火星上潜在生命和评估其生存的模型。”
这项研究为何成功而其他研究未能成功
虽然对地球表面和地下环境中微生物生命的研究并不新颖,也不算稀有,但拉夫指出,之前的数据因研究方法的不同而难以综合。
相反,这项研究始于2016年,当时拉夫作为博士后研究员参加了深层生命普查的会议——一项由MBL杰出高级科学家米切尔·索金共同领导的开创性研究,旨在调查地下微生物生活。全球的研究团队向MBL提供了地下样本,科学家们采用标准化程序分析和测序微生物DNA(由MBL科学家希拉里·莫里森执行)。这种方法首次提供了一致的数据集,使来自50个不同海洋和陆地生态系统的1000多个样本之间的比较成为可能,激发了拉夫进行这项大规模分析的兴趣。
拉夫表示:“第一次,我们能够直接比较微生物群落,例如,从大湖表面的沉积物以及来自海底下两公里的沉积物。”他说:“这就是这篇综合论文重要性的明显之处。”
像这样的规模研究依赖于许多合作伙伴,尤其是来自马克斯·普朗克化学研究所的共同第一作者伊莎贝拉·赫拉贝·德·安赫利斯,她的生物信息学专长至关重要。许多来自海洋生物实验室的其他科学家(包括米切尔·索金、希拉里·莫里森、安娜·希普诺娃和阿列克谢·莫罗佐夫)也为研究做出了贡献,还有来自南阿拉巴马大学、俄勒冈州立大学、苏黎世联邦理工大学、田纳西大学-诺克斯维尔、明尼苏达大学-德卢斯、道芬岛海洋实验室、土伦大学、伦敦玛丽女王大学、萨瓦瓦蒙特布朗大学、密歇根州立大学、乔治亚大学、伍兹霍尔海洋研究所、杜伊斯堡-埃森大学、加州大学-旧金山和阿尔瓦情报等多个机构的专家。