斯坦福大学发现原本被认为"不适宜居住"的环境中也有生命存在

斯坦福大学科学家领导的新研究预测，生命可以在极咸的环境中存活，这超出了以前认为可能的极限。这项研究于12月22日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上，研究基于对南加州海岸工业池塘盐水中数千个单细胞代谢活动的分析。

研究结果拓展了我们对整个太阳系潜在宜居空间的认识，以及对地球上一些水生栖息地因干旱和引水而变得更咸可能造成的后果的认识。

研究报告的资深作者、斯坦福大学多尔可持续发展学院地球系统科学助理教授安妮-德卡斯（Anne Dekas）说："我们不可能到处寻找，所以我们必须真正慎重考虑在哪里以及如何在其他行星上寻找生命。尽可能多地了解地球上极端环境中生命生存的地点和方式，可以让我们优先考虑在其他地方执行生命探测任务的目标，增加我们成功的机会。"

海洋研究团队在 2019 年的首次实地考察中从南湾盐厂采集盐水。资料来源：Anne Dekas

长期以来，对探测地球以外生命感兴趣的科学家一直在研究含盐环境，因为他们知道液态水是生命的必要条件，而盐可以让水在更大的温度范围内保持液态。盐还可以保存生命迹象，比如盐水中的泡菜。研究的主要作者、地球系统科学博士生艾米丽-帕里斯（Emily Paris）是德卡斯实验室的一员，她说："我们认为，有盐的地方是发现过去或现在生命迹象的好地方。盐可能是使另一颗行星适合居住的东西，尽管在地球上高浓度的盐也是生命的抑制剂。"

这项新研究是康奈尔大学教授布兰妮-施密特（Britney Schmidt）领导的一项名为"跨越时空的海洋"（Oceans Across Space and Time）的大型合作项目的一部分，由美国国家航空航天局（NASA）的天体生物学项目（Astrobiology Program）资助，该项目汇集了微生物学家、地球化学家和行星科学家。他们的目标是：了解海洋世界和生命如何共同进化，从而在过去或现在产生可探测到的生命迹象。了解海洋世界适宜居住的条件，开发更好的方法来探测生物活动的信号，是预测太阳系其他地方可能存在生命的步骤。

盐度变化对地球的影响

我们应该考虑盐度变化对地球生态系统的影响。例如，犹他州大盐湖水位下降导致盐度增加，这可能会影响食物链上的所有生命。

帕里斯说："除了从生命探测的角度来看，了解盐度的影响对于地球的保护和可持续发展也很重要。研究表明，盐度的增加如何改变微生物群落的组成和微生物新陈代谢的速率。这些因素会影响营养循环以及甲壳类动物和昆虫的生活，而甲壳类动物和昆虫是候鸟和其他水生动物的重要食物来源。"

该研究的共同第一作者艾米丽-帕里斯（Emily Paris）和内斯特-阿兰迪亚-戈罗斯蒂迪（Nestor Arandia-Gorostidi）准备孵化来自南湾盐厂的盐水。资料来源：安妮-德卡斯

发现地球上最咸水域中的生命

海洋研究团队来到像南湾盐厂这样的盐池--本研究的样本就是在这里采集的--或旧金山湾沿岸的盐池时，它们会发现地球上一些最活跃的微生物像万花筒一样闪烁着霓虹绿、铁锈红、粉红和橙色的光芒。这些拼凑在一起的颜色反映了水生微生物适应在不同盐度下生存的能力，也就是科学家们所说的"水活性"--可用于微生物生长的生物反应的水量。

帕里斯说："我们很想知道，水活性在什么时候会变得过低，盐度在什么时候会变得过高，微生物生命在什么时候无法再生存。"海水的水活性水平约为 0.98，而纯水的水活性水平为 1。大多数微生物在水活度低于 0.9 时就会停止分裂，据报道，在实验室环境中维持细胞分裂的最低水活度绝对值略高于 0.63。

在新的研究中，研究人员预测了生命的新极限。他们估计，生命在低至 0.54 的水活度水平下也能活跃。

斯坦福大学的科学家们与来自全国各地的同事合作，从南海湾盐场收集样本，这里有地球上最咸的海水。他们从盐厂不同盐度的池塘中收集盐水，装满数百个瓶子，然后将它们运回斯坦福大学进行分析。

在科学家分析瓶内微生物的活动之前，盐水瓶在实验室的温度和光照控制室中孵化。图片来源：安妮-德卡斯

更快地发现生命

以往寻找生命的水活性极限的研究都是使用纯培养物来寻找细胞分裂停止的时间点，这标志着生命的终点。但在这些极端条件下，生命的加倍速度缓慢得令人痛苦。如果研究人员依靠细胞分裂来检验生命何时终止，他们将面临长达数年的实验室实验，这对于像帕里斯这样的研究生来说并不现实。即使进行了细胞分裂研究，也不能说明生命何时消亡；事实上，细胞可能新陈代谢活跃，即使没有复制，也仍然充满活力。

因此，帕里斯和德卡斯研究了露天盐池中的微生物，以确定生命的另一个极限--细胞活动的极限。

研究小组对之前的研究进行了三项关键改进。首先，他们没有使用纯培养物，因为纯培养物是科学家猜测哪种特定物种或菌株的生命力最顽强的最佳标准，而是使用了一个实际的生态系统。在盐场，环境自然选择了最能适应这些特定条件的复杂生物群落。

其次，研究人员采用了更为灵活的生命定义。他们不仅将细胞分裂，还将细胞构建视为生命的标志。"这有点像观察人类进食或生长。这是生命活跃的标志，也是复制的必要前奏，但观察起来要快得多，"德卡斯说。

在数以百计的盐水样本中（其中一些盐水咸得像糖浆一样粘稠），他们确定了水的活性水平，以及盐水中的碳和氮融入细胞的程度。通过这种方法，他们能够检测到细胞的生物量增加了多少，最小的增加量仅为1%的一半。相比之下，以细胞分裂为重点的传统方法只能在细胞的生物量增加大约一倍后才能检测到生物活动。然后，根据这一过程是如何随着水活性的降低而减慢的，科学家们预测这一过程将完全停止。

第三，当其他科学家在盐水中测量碳和氮的大量掺入时，斯坦福大学的研究小组利用斯坦福大学的一种罕见仪器--纳米SIMS--进行了逐个细胞的分析，这种仪器在全美屈指可数。这种灵敏的技术使他们能够在其他"腌制"细胞中观察到单个细胞的活性，而这些细胞的存在会掩盖批量分析中的活性信号，从而实现低检测限。

"环境样本的单细胞活性分析仍然非常罕见，"德卡斯说。"单细胞活性分析是我们在这里进行分析的关键，随着单细胞活性分析的广泛应用，我认为我们将看到微生物生态学的进步，这些进步具有广泛的相关性，从了解全球气候到人类健康。我们对单细胞水平的微生物世界的了解才刚刚开始。"

编译自/ScitechDaily