新研究揭示地下数英里处惊人的微生物多样性

深层地下微生物种类繁多，对低能环境中的生命假设提出了挑战。 这一发现对医学、能源效率和天体生物学都有影响。在我们脚下的黑暗中--在金矿、含水层和海底深孔中--有哪些微生物在繁衍生息，它们与覆盖地球表面的陆地和海洋微生物群相比又如何呢？

地球微生物学家团队步行前往位于南非金矿一条闲置隧道尽头的采样点。 在这个深入地表近 3 公里的地点，研究人员可以进入地球上最深、最古老的生态系统之一。 这些微生物赖以生存的盐水已经在岩石中滞留了 10 亿多年。 图片来源：Emil Ruff

在伍兹霍尔的海洋生物实验室（MBL）进行的首次全球性研究揭示了某些次表层环境中惊人的微生物多样性，其深度可达海底以下491米和地下4375米。

这一发现凸显了巨大的、尚未开发的地下微生物多样性宝库，为新化合物和药物的生物勘探提供了潜力，促进了我们对细胞如何适应极端低能环境的理解，并为寻找地外生命提供了启示。 这项研究由MBL副科学家Emil Ruff领导，最近发表在Science Advances上。

明尼苏达州北部苏丹地下铁矿钻孔流出通道中形成的氧化铁微生物垫。 图片来源：Cody Sheik

"人们通常认为，越深入地表以下，可获得的能量越少，能够存活的细胞数量也就越少，"鲁夫说。"而能量越多，产生和维持的多样性就越多--比如在热带森林或珊瑚礁中，那里有大量的阳光和温暖。但我们的研究表明，在一些地下环境中，多样性可以轻松地与地表的多样性相媲美，甚至超过地表的多样性。 海洋环境和古细菌领域的微生物尤其如此。"

这项历时 8 年完成的研究也是首批比较海洋与陆地微生物多样性和群落组成的研究之一。

"看看植物和动物--它们中很少有同时适应海洋和陆地环境的。 鲑鱼是个例外，"拉夫说。"一个有趣的问题是，微生物是否也是如此？"

他们发现是的。 海洋微生物群和陆地微生物群在组成上有很大不同，但它们的多样性水平却很相似。

约 2001 年，南达科他州 Homestake 金矿底部。 当时，这座金矿是西半球最深的金矿，因此也是对地下微生物进行采样的最深地点之一。 图片来源：里克-科威尔

鲁夫说："因此，这似乎是一个普遍的生态原则。"海洋和陆地领域的生命形式之间存在着非常明显的鸿沟，不仅是在地表，在地下也是如此。 陆地和海洋的选择压力截然不同 它们选择了在这两个领域都难以生存的不同生物。科学家们第一次广泛意识到我们脚下有一个巨大的微生物宝库，深藏在岩石和海底数公里深处，那是在 20 世纪 90 年代中期。 科学家们现在估计，地球上有 50%-80% 的微生物细胞生活在地表下，那里的能量供应可能比阳光照射下的地表要少几个数量级。"

"通过这项研究，我们现在还可以了解到，地球上微生物多样性的一半可能生活在地表下，"鲁夫说。"令人着迷的是，在这些低能量环境中，生命的活动似乎减慢了，有时甚至降到了最低。 据估计，一些地表下的细胞平均每 1000 年分裂一次。 因此，这些微生物的生命时间尺度完全不同，我们有可能从它们身上学到一些关于衰老的知识。"

海底的泥火山，富含甲烷的液体从地下喷出，进入水体。 这些生态系统处于次表层和表层的交界处，通常是深海中的生命绿洲。 图片来源：Mandy Joye/加州大学洛杉矶分校

为了在地表下生存，"进化适应是很有意义的，可以绝对地将动力和能量需求降到最低，优化新陈代谢的每一个环节，尽可能地提高能量效率，"鲁夫说。"我们也可以从中学习： 在几乎一无所有的情况下，如何提高工作效率。"

如果火星或其他行星在其历史的某个时期曾有过液态水--有证据表明火星曾经有过液态水--那么火星表面下3千米处的岩石生态系统将与地球上的生态系统非常相似。能量将非常低；生物的生成时间将非常长。 了解地球上的深层生命可以作为发现火星上是否存在生命以及生命是否存活下来的模型。

对地球表面和地下不同区域微生物生命的研究并不新鲜，也不是特别稀缺。 但鲁夫说，由于不同研究小组使用的研究方法不一致，这些研究的数据很难甚至不可能综合起来。

相比之下，本研究始于2016年，当时还是博士后研究员的鲁夫参加了一次"深层生命普查"会议。"深层生命普查"是一项评估地下微生物生命的开创性工作，由MBL杰出高级科学家米切尔-索金（Mitchell Sogin）共同领导。

科学钻探船"JOIDES Resolution"号，2014 年，南海。 海底钻探比陆地钻探困难得多，需要专门用于这项任务的巨大船只。 钻头在到达海底之前往往已经有几公里长。 图片来源：Rick Colwell

在这次普查中，世界各地的研究小组将地下样本送到了 MBL，科学家们使用完全相同的程序对样本的微生物DNA进行测序和分析（MBL 科学家 Hilary Morrison 领导了这部分工作）。 这首次提供了一个一致的数据集，可以对来自 50 个海洋和陆地生态系统的 1000 多个样本进行比较。 鲁夫对进行这种大规模比较的想法产生了兴趣。

鲁夫说："我们第一次可以直接比较大湖表面沉积物和海底两千米以下沉积物的微生物群。这就是这篇综述论文的魅力所在。"

编译自/ScitechDaily