神奇生物在哪里?探秘海洋地殼

神奇生物在哪里?探秘海洋地殼
這是2010年南太平洋鉆探探險中收集的巖石樣本。科學家在其中發現了一些微生物,它們生活在一個看似不可能的地方:海底之下的古代巖石里。
攝影:CAITLIN DEVOR, THE UNVIERSITY OF TOKYO
 
撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS
 
  2013年,科學家們震驚地發現,在太平洋西北部海底下的火山巖深處,265米厚的沉積物之下,生活著大群微生物。這些巖石位于火山裂谷側面,它們在此誕生,依然年輕,而且溫度足夠高,可以與海水發生劇烈的化學反應,這些微生物從中獲得能量。
 
  不過,現在另一組研究人員在南太平洋中部發現了活細胞,它們生活在極其古老、寒冷的地殼中。目前我們尚不清楚這些新的微生物如何存活下來,而且在同樣的體積下,古老的地殼里的微生物是年輕的100多萬倍。
 
  東京大學的地球科學家Yohey Suzuki回憶自己第一次見到滿是細胞的古代巖石薄片時說:“說實話,我簡直不敢相信。”這項研究發表于4月2日《生物學通訊》,Suzuki是首席著者。
 
神奇生物在哪里?探秘海洋地殼
這些熒光顯微鏡下的細菌(綠色)來自研究人員從海底之下采集的巖石樣本。
供圖:YOHEY SUZUKI, UNIVERSITY OF TOKYO
 
  在這樣一個幾乎不可能的地方發現微生物,令人十分震撼,而這也說明,可能整個海洋地殼里都存在微生物。海洋地殼是一層巖石,厚度與珠穆朗瑪峰相仿,有些地方很高,占據了地球表面五分之三的地方。這一發現還具有更廣闊的宇宙意義:火星上有類似的火山帶,這顆星球的表面也曾被水浸過,甚至可能曾有一個巨大的海洋。
 
  大約40億年前,火星的外核停止攪動,磁場隨之瓦解,大氣層被太陽風吹走,火星變成了一個沙漠世界。但如果水中曾充滿了生命,而且一些水流進了地下,那么在火星地下火山巖的細微裂縫中,可能仍存在生物——就像在今天地球的海洋地殼中一樣。
 
  西班牙天體生物學中心的高級研究員María-Paz Zorzano說:“如果有海洋,生命就會在這些細縫中誕生。”Zorzano沒有參與此次研究。
 
全球傳輸帶中的生命
 
  海洋地殼在38億年里一直處于不斷形成的過程中,從大洋中脊開始(一個環繞地球的火山網,延伸64000公里)。這種新凍結的熔巖大部分是玄武巖,依然炙熱,與冰冷的海水發生劇烈的化學反應,海底微生物從中獲取能量——現在我們已經知道,它們在海底深處。
 
  在靠近大洋中脊的地方,炙熱而又年輕的巖石里有包括鐵在內各種各樣的金屬,它們處于很容易與海水中的氧發生反應的化學狀態。于是,那里的微生物可以利用這些化學反應產生能量。
 
  然而,在山脊的兩側,海水中的氧氣已經被早期化學反應消耗了。玄武巖與水反應產生的是氫。2013年,奧胡斯大學的生態學家Mark Lever和同事報告稱,藏身350萬年前海洋地殼中的微生物,利用這些氫把二氧化碳轉化成了維持生命的有機物。
 
  沿著這條地殼傳送帶一路向前,古老的巖石不斷被年輕的巖石推開,你會發現前者已經變得冰冷,而且缺少關鍵的化學成分,微生物在這里存活的可能性很低。但科學家并沒有因此放棄。
 
  回到2010年10月,研究人員前往廣闊的南太平洋,在庫克群島以西640多公里的地方開始探索。在這片孤寂的海域里,他們在距離船下5790米的地方,鉆入堅硬的海洋地殼。
 
  Lever沒有參與此次研究,他說,由于鉆探現場上方的營養物質非常少,“水中幾乎不存在生命”,這里可以算是“全球海洋中最死氣沉沉的地方”。
 
  研究人員在多個地點,從海底100米以下的地方提取了地殼核心樣本;最年輕的1350萬年,最古老的1.04億年。之后的十年里,Suzuki和團隊孜孜不倦地研究了這些巖石,發現在每個樣本,在很多富含鐵、全是粘土的細微裂縫中,存在生命。
 
充滿生命的“地下室”
 
  為了確保樣本沒有被富含微生物的海水污染,研究團隊在打開之前,對巖石外部進行了仔細消毒。Zorzano說,巖石內部的生物看上去是地殼里真正的居民。
 
  這個環境處于580個大氣壓的壓力下,營養微薄,空間狹小,生命幾乎無法存活,然而龐大的高密度微生物群落卻生活在這些巖石里,足以證明微生物充滿了活力。
 
  基因圖譜顯示,這些地殼中的群落主要是異養型細菌。生活在年輕的海洋地殼中的微生物可以依靠氫,但新發現的這些微生物無法合成自己的食物,只能從周圍環境中獲取。在這樣的情況下,有機物成了它們的能量來源。
 
  異養型細菌的食物可能是從上方落下的海洋生物的排泄物和腐爛的尸骸,或者地殼自身帶來的非生物化學分解,像一些深海熱泉周圍那樣。Suzuki說,無論是哪種情況,它們被困在了全是粘土的細微裂縫中,為生命的誕生準備好了“神奇的材料”。
 
  在這些古老的玄武巖里,科學家也發現了以甲烷為食的微生物。Lever說,甲烷的來源尚不清楚,但可能形成于年輕的海洋地殼,靠捕獲的二氧化碳存活。又或許,這些生物靠著幾千萬年前的剩余物活到了今天。
 
地外生命
 
  古老的海洋地殼中存在微生物群落,這一點預示著火星上也可能有生命。內華達大學拉斯維加斯分校的行星科學家Arya Udry沒有參與此次研究,她告訴我們,地球的大洋玄武巖與火星的玄武巖非常相似。
 
  這一新發現是否會增加我們在行星鄰居火星相似的地方,發現類似生命的概率?“當然會,”Lever說。雖然來源不明,但火星上也有甲烷,這意味著南太平洋底發現的以甲烷為食、生活在地殼中的微生物,可能也以某種形式存在于火星上。
 
  而且火星玄武巖的內部和頂部也有蒙脫石,這種粘土礦物為很多陸地微生物提供了食物。Lever說:“如果火星上曾經存在過生命,那今天的地下深處可能也存在。”
 
  Zorzano說,如果有微生物為了避開表面的致命輻射,存在于火星內部,那么我們可能很快就能找到它們。歐洲航天局羅莎琳德·富蘭克林火星漫游者預計將于2022年發射,在滿是粘土的地方著陸,這些粘土中富含有機分子,科學家將在此尋找生命特征。NASA的毅力號火星車計劃于今年夏天發射,在富集粘土的火山口收集樣本,并在未來十年里將把原始樣本送回地球。
 
  這項新研究結果的意義甚至超出了太陽系。從海面上漂著的海藻,到陸地上的植物,地球上的很多生態系統都建立在光合作用生物的基礎上。但這些以甲烷為食的微生物可能僅從海洋地殼中獲取能量,它們的生態系統迥異于光合作用生物,但同樣成功。
 
  Lever說,在宇宙中,這些微生物看似不同尋常的策略可能比我們想象的更常見。“在浩瀚宇宙的其他地方,很可能光合作用生物才是例外。”
 
(譯者:Sky4)
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