微生物中的“特种部队” | 院士科普

您是否曾经想过一杯水里究竟有多少水分子？您是否思考过我们身边还生存着许多看不见的生命？地球上的微生物，小得让您难以想象，却数量众多。不仅如此，它们还有一个庞大的家族，既有介于化学分子与细胞生命之间的病毒，也有介于真菌与动物之间的黏菌，更有介于植物与动物之间的绿眼虫等。如此看来，微生物就是一个矛盾的统一体，既渺小又庞大，既平庸又神奇。今日，我们带您认识微生物大家族中的“特种部队”——嗜极微生物。

生命自从在地球上起源，就不断地拓展其生态领地。有些微生物特别能折腾，它们不满足于地表正常环境下索然无味的生活，嗜好徜徉在一些极端环境里。除了人们司空见惯的地球表层生物圈，微生物还向深部开疆扩土，私自建立了一支神秘的“特种部队”——深部生物圈。深部生物圈是指分布在陆地表面以下、深部海洋或者海底沉积物以下，不依赖阳光为能量来源的生物圈。深部生物圈也被称为黑暗生物圈，主要由嗜极微生物组成 。顾名思义，“嗜极”就是嗜好极端物理化学条件。这些微生物适应力极强，可以挑战各种极限条件，堪称微生物界的“特种部队”。一般的微生物想在那里活下去还不是那么容易呢！目前，人们在地下3000～4000 米处分离出了一些新的极端微生物。当然，这个深度纪录会不断地被刷新。

其实，这支“特种部队”生活的深部环境，就是一个黑暗、缺水、低氧、寡营养的“地下炼狱”，微生物能在那里存活，堪称生命的奇迹。这微生物显然身怀独门绝技，个个武艺高强，它们因拥有特殊功能的酶，能应对各种有害的极端条件。在地下深部岩石中，能够维系微生物生活的有机质极少，能量来源也极其匮乏，微生物如同武侠小说中的辟谷居士，“静心养神”，缓慢地消耗食物。那么，它们的代谢能力到底有多强？研究发现，这些微生物的代谢速率要比表层系统的微生物缓慢得多。例如，大陆深部地下微生物要比大陆地表微生物的碳代谢速率低4 个数量级（Jørgensen，2011）。微生物为了适应极端环境而表现出如此缓慢的代谢能力，是否让那些努力瘦身的人大为惊叹呢？

如果说微生物“特种部队”如此缓慢的代谢能力还不能让您惊叹的话，那么它们作为地球的“长寿之王”也许可以让您惊奇吧，用“寿比南山”来形容它们，一点也不为过。这些嗜极微生物到底有多长寿？人们已经从年龄高达100 万～1 亿年的深部地下水或冰层中分离出了一些新发现的极端微生物，这意味着它们至少已经活了100 万年。特别地，微生物为了适应极端环境条件可以说是“拼了老命”，往往只以芽孢的形式存在，细菌芽孢可以说是目前地球上已知的最强壮的细胞。人们已经从海底2200 万年的沉积物乃至2.5 亿年的岩盐晶体中提取到活性芽孢（Lomstein et al.，2012）。这意味着微生物可以以芽孢的形式存活数亿年。大自然到处都是谜，小小的微生物更是如此。

您也许会问：这支“特种部队”到底有多大规模，深部生物圈到底有多大生物量？目前，对深部生物圈生物量的估算偏差很大，总体认为一般占地球生物总有机碳量的2%～19%（McMahon and Parnell，2014）。作为一支“特种部队”，深部生物圈生物量能达到这样的规模已经很可观了。随着从表层往下深度的不断加大，总体生物量呈现出对数形式降低的趋势。例如，在海底表层1 米的沉积物中，微生物细胞的丰度为109 个细胞/厘米3；而在深度500 米的沉积物中，微生物细胞的丰度则降低到106 个细胞/ 厘米3（Parkes et al.，2000）。

微生物在地球深部训练出来的这支神秘“特种部队”，对人类而言非常重要。在深部环境，一些物理化学条件往往都比较极端，因而深部生物圈代表着地球早期极端环境下的生命特征。研究深部生物圈不仅有助于人们了解地球早期的生命起源，也能为在火星等外星天体上寻找生命提供线索。研究深部生物圈还对研究油气及矿产资源、元素地球化学循环与气候变化、地下水资源、地下空间利用、核废料和二氧化碳的地下储存等都具有重要意义。例如，核废料储存在地下，地下微生物会蚀变储存这些废料的容器，从而导致核废料扩散，有些微生物则可以分解这些核废料，因而人们需要查明微生物对这些核废料的正面和负面效应。

特别是，深部生物圈的微生物为了适应极端的物理化学条件，产生了一些具有特殊功能的酶，分离出这些酶就可以应用于各类工农业生产中。深海中存在嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜盐等微生物，通过分离可以获得一系列深海微生物酶，包括蛋白酶、酯酶、卤化酶、过氧化物酶、纤维素酶、琼胶酶、DNA 聚合酶等，它们在农业、食品、医药、环保、冶金、能源等领域都有着重要的应用前景。如此看来，这支“特种部队”根本不存在“鹰老爪钝”的现象，深部生物圈虽然远离了人类生活的地球表层系统，却对人类社会非常重要。人类不断地向深部地下拓展空间，我国也已经提出了发展深地科技的国家战略，这对揭开深部生物圈这支神秘的“特种部队”具有非常重要的意义。

本文摘编自《演化: 微生物如何塑造地球》（谢树成等著. 北京 : 科学出版社,2026. 3）一书“第一章 微生物创世”，标题为编者所加。

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（科学与未来 : 院士科普丛书）

ISBN 978-7-03-084146-9

责任编辑：张 莉 姚培培

我们每天都在和微生物打交道，但人类究竟对微生物了解多少？微生物到底是人类的朋友还是敌人？不同的人有着不同的答案。尽管如此，有一点可以肯定，那便是微观尺度的微生物能够产生宏观尺度的效应，在庞大的地球生态系统、复杂的人体系统中都发挥着至关重要的作用。

本书聚焦微生物与地球系统的复杂关系，从创世、问天、戏水、弄石四个方面介绍微生物对地球生物圈、大气圈、水圈和岩石圈的影响，并从寻踪角度阐述科学家如何研究数亿年、数十亿年前出现在地球上的微生物。本书集科学性、知识性和趣味性于一体，生动地阐释了各种各样的微生物的特性，特别是它们那些鲜为人知、令人惊叹的本领。本书有助于社会大众了解小小的微生物如何塑造我们宜居的大地球，有益于青少年培养科学兴趣、开阔思维视野，强化保护微生物多样性、守护地球家园的责任意识。

本书适合科研工作者、大中学生以及其他对地球科学、生命科学感兴趣的读者阅读。

（本文编辑：刘四旦）

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