地球深層的生命數十億年不見陽光仍然美妙-SAKAI BBS 社區
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地球深層的生命數十億年不見陽光仍然美妙

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    2015-1-3 10:48
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    發表於 2018-7-18 12:09:52 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    地球整體上並不是一塊堅固的岩石,它的概況以下是灼熱的、黑暗的、破裂的,但那里的生命形式卻奇異而美好。

    地球深層的生命數十億年不見陽光仍然美妙

    我們四周的大量生命形式都存在于地球薄薄的概況上,而對廣漠的、不為人知的地下卻所知有限。關于深層地下的一個普遍誤解是,這個範疇是由持續的、均勻緊縮的固體岩石組成的。但很少有人意想到,這團岩石上有無數裂縫,水從這些裂縫和斷層中滲透,直達地下數千米。深層地下支持著全部生物圈,它在很洪流平上離開了地表天下,而且我們剛剛起頭對其停止摸索和瞭解。

    深層地下包含的水量相當可觀。在全球範圍內,地下水庫的淡水數目是一切河流、湖泊和沼澤中可用淡水的100倍。這些水體的年齡從7歲到20億歲不等,它們正被研討職員深入研討,由於它界說了深層地下生命的位置和範圍。我們現在曉得,深層陸地概況是1萬億簡單(原核)細胞的故里,這是生活在廣漠海域中細胞的2到20倍。但是有些人估量,深層地下生物圈能夠包括地球上1/3的生物量。

    要瞭解深層地下生物圈,我們必須超越熟悉的生物學紀律。從概況上看,長時候沒有太陽的生活是危險的或致命的。沒有陽光,動物和莊稼都沒法發展,氣溫變得越來越冷,很少有生物可以持久忍受這樣的條件,包括人類。舉例來說,居住在北極圈內的人們,以及冬季駐留在南極考查站的維修職員,每年都要履歷幾個月24小時處于黑暗狀態的日子。他們更輕易遭到諸如抑郁癥等健康題目標影響。他們找到了順應和熬過冗長、黑暗、嚴隆冬季的方式,但這並不輕易。

    現在想象一下,那些被隔斷陽光和有機化合物的地方所面臨的應戰,那里的生命已經數百萬甚至數十億年不再依靠陽光。任何能在那里保存的工具,似乎都是使人沒法瞭解的。但是,包括美國普林斯頓大學研討職員在內的科學家,卻已經在地球深處發現了使人驚奇的分歧微生物,它們已經順應了不依靠于太陽的生活方式。

    陽光可以穿透大約1000米深的海水,但它沒法穿透幾厘米厚的土壤或岩石。但是,在深層地下,嚴寒並不是題目。恰恰相反︰雨水沿著裂隙和斷層岩石之間滲透到地下數千米後,溫度可以到達60攝氏度以上。從概況到地下,越深就越接近地幔。從地心上升的熱量使滲透進來的水變暖。此外,水處于高壓下,幾近不含氧氣,而且還遭到岩石中自然放射性元素的輻射轟擊。

    但是,這類天堂般的情況卻存在生命誕生和保持保存的關鍵身份。地下水與大陸地殼中的礦物資發生了反應,而水被困的時候越長,這些反應成果就越有能夠在其活動途徑中堆集。水和岩石之間的緩慢反應將礦物資消融到水里,而水份子也會分化,並發生氫份子。這類氫是深層地下微生物所需的重要燃料。

    我們也起頭繪制出深層地下分歧的生態系統和種群。一般來說,較老的地下裂縫水鹽度更高,消融的氫的濃度也較高。我們的研討和很多同事此前的研討已經顯現出一種明顯的趨向,即生活在更陳腐、更咸水里的微生物明顯分歧于那些生活在更年輕、不含鹽的水中微生物。

    陳腐的水生態系統首要由產氫的微生物(如硫酸鹽復原細菌)和產甲烷的古生菌組成。那些產甲烷菌是一種微生物,在視覺上類似于細菌,但在結構上和基因上卻與細菌截然分歧,它們屬于完全分歧的生命範疇。硫酸鹽復原菌和產甲烷菌是進化史上早期出現的生命形式。與此相反,年輕的水生態系統主如果由多種多樣且多才多藝的細菌組成。

    對深層地下生態系統的研討已經在很多科學範疇引發了共鳴。它們激起了很多關于生命起源和新陳代謝極限的新概念,同時也在填寫關于地球上碳的循環、分布和貯存的諸多新細節。深層地下大陸生態系統將有助于在像火星這樣的岩石行星上尋覓地下生命,而深海和海底生態系統反過來將幫助研討職員評價生活在木衛二(Europa)和土衛二(Enceladus)陸地中的生物體的能夠性及其性質。這項研討的意義甚至在範圍上包括了全部宇宙。

    據估量,地下微生物的壽命很是長。在我們的研討中,它們的生命周期甚至可以到達1000年,這意味著它們每隔幾千年才會割裂一次。從這個角度來看,普通腸道細菌大腸桿菌(E.coli)每20分鐘就會割裂一次。一個持久存在的題目是,深層地下微生物若何發生這類“慢鏡頭”生活方式的?

    在深層地下生活並不輕易,由於操縱礦物資和地質氣體能量的生化反應(也被稱為化學營養反應)並不像光合感化那樣高效。在光合感化下,綠色動物可以捕捉和操縱照耀在空中上的陽光光子能量。有些地下微生物可以構成抗應力的胞子,連結不活躍狀態,以抵御極真個地下條件。否則,微生物必須花費特定數目的能量,以保持細胞的完整性和一般功用。

    現在,基因測序技術使我們可以具體地研討有機體能夠對哪些情況成份停止代謝。我們還可以用元基因組學(metagenomics)來研討全部群體的代謝潛能,這是一種研討群體遺傳多樣性的方式。這些方式配合揭露了深層地下生物群落的整體結構和功用。我們對以卵白質細菌為主的群體(從陸地概況以下1000米到3000米處收集)研討表白,它們相互之間有著高度的類似性,這是由一種稱為16S核糖體RNA的遺傳標誌所決議的。

    但是,不異的功用特征卻由分歧的分類群照顧。這一變化不能經過收集點分歧來詮釋,也不能經過每個地址怪異的物理化學特征來詮釋,而凡是是由最具生態影響的身份所決議的。不管是深度還是水的逗留時候似乎都不是形成這類差別的重要身份。未來對地下微生物起源的觀察,以及它們在地質歷史上的進化和活動,將有助于我們對地下生物地理學或生活景觀的瞭解。

    我們比來完成了一項研討,用高通量測序法來研討地下微生物,以觀察總RNA和卵白質的數目。在2015年的一篇論文中,我們初次描寫了在地下被積極履行的綜合代謝功用收集。在南非Beatrix金礦地表下1300米處,活躍的生物群體由39個系屬組成,包括三大生物範疇€€€€細菌、古生菌和真核生物,這些範疇甚至包括人類在內的復雜生物。總的來說,生態系統被卵白質細菌所主導。

    份子數據,連同同位素地球化學和熱力學模擬,得出了配合的結論,最成功的深層地下群體是betaproteobacteria,一種卵白質細菌,它們經過硝酸鹽復原和硫氧化的耦合獲得能量,以牢固二氧化碳促進細胞發展。深層地下微生物對硝酸鹽的需求是出人料想的,在我們的研討之前,它沒有被留意到,由於在地下水樣品中丈量的硝酸鹽濃度很小。更風趣的是,我們揣度,深層地下微生物群已經建立了強大的、成對的代謝伙伴關系或分解關系,這有助于有機體克服從岩石中提取有限能量的應戰。這些微生物並沒有間接相互合作,而是建立了一個雙贏的合作關系。

    微生物細胞中的大部分碳都是間接從甲烷中心接獲得的。這是正確的,盡管甲烷菌和甲烷氧化微生物在我們的樣本中所佔比例不到1%,這個比例驚人的低,由於甲烷是我們所研討的水樣本中最豐富的消融氣體(佔80%)。不管是在時候還是在空間上,分歧品種的微生物類群在深層地下接管甲烷存在很大分歧。

    盡管存在代謝伙伴關系的上風,但有些深層地下微生物已經進化到零丁行動的水平。經過元基因組學和基于基因組的分析,勞倫斯-伯克利國家嘗試室的研討科學家迪倫€€奇威(Dylan Chivian)發現了一種硫酸鹽復原細菌€€€€Candidatus Desulforudis audaxviator,它可以以完全自力更生的方式生活在地下生態系統中。自從這一發現于2008年頒發以來,在大陸和陸地地下的其他地方都發現了這類細菌的蹤影。

    單細胞基因組數據表白,現代病毒傳染將古菌基因轉移到Candidatus Desulforudis audaxviator細胞中,為細菌的“自力更生”供給了基因機制。單細胞基因組數據不但答應我們研討深層地下微生物基因組材料的細胞間變異情況,而且還能規復沒法培育的微生物基因組藍圖。這些被輕忽的生物偶然被稱為“微生物暗物資”,由於它們凡是可逃過傳統的嘗試室方式檢測。與天文學上的暗物資一樣,微生物暗物資遠遠跨越了可見微生物的量。在野生嘗試室條件下,大約99%的微生物不會發展。我們必須依靠單細胞基因組學和元基因組學來尋覓深層地下的微生物暗物資。

    甚至在我們和其他幾個研討團隊意想到細菌和病毒已經在嚴酷的深層地下殖民的時辰,大大都科學家仍然以為,沒有比這些單細胞生物更復雜的工具可以在那里保存下去。更復雜的是,多細胞生物在低氧水和藹高壓力情況下的順應才能較弱,它們需要更多的食品。一樣,在2006年,我們的團隊起頭在深層地下尋覓線蟲。

    地球深層的生命數十億年不見陽光仍然美妙

    線蟲(凡是被稱為蛔蟲,不要與蚯蚓混淆)是非常常見的多細胞生物。與昆蟲一路,它們是地球上最首要的動物族群。線蟲大都體積很小,雖然有些可以長到幾米長,但大大都都小于1毫米。它們的起源可追溯至11億年前,即動物和動物進化後未幾。線蟲被以為是地球上最陳腐的多細胞生物之一。從土壤到陸地,它們幾近征服了地球上一切的生態系統,有些甚至進化到寄生動物和動物身上,包括人類。

    之所以挑選在深層地下尋覓線蟲,是由於它們有在極端情況下保存下來的牢靠記錄。很多物種在面臨威脅生命的條件時可以改變自己的生命周期,並構成了一個保存期,它們的新陳代謝會大大削減。經過這類方式,它們可以在缺氧、熾烈、干旱、冰凍和有毒的情況保存數十年,然後在濕潤或條件充沛的情況下規復過來。

    線蟲也能承受龐大的壓力。2003年,當哥倫比亞號航天飛機在重返大氣層時解體時,載有線蟲的一項生物嘗試容器從海拔42千米的高空自在下降。他們的罐子以大約2500倍重力的氣力擊中了空中。幾周後,嘗試容器被找到。罐子里的線蟲不但承受住了考驗,而且還在滋生。此外,人類需要在氧氣比例到達21%的大氣層中才能一般呼吸,而線蟲可以在氧氣比例僅為0.5%的情況中無窮期存活,而且很多物種可以存活更長時候,甚至在更少或底子沒有氧氣的情況下。

    我們對深層地下線蟲的搜尋促使在2011年發現了一種新的線蟲Halicephalobus mephisto,它的字面意義是“魔鬼蠕蟲”。在Beatrix金礦深度約1300米的地方,我們從裂縫流出的水中發現了線蟲。碳年月測定顯現,那里的水大約有3000年的歷史。在接下來的幾年里,我們在3800多米的地下深處發現了更多的線蟲。

    在發現了“魔鬼蠕蟲”後,我們停止了長達兩年的過濾取樣。在此時代,我們過濾了來自地下1400米的12845647升水。這一盡力致使我們在有12300年歷史的水中發現了一個完整的無脊椎動物樂園,這里有各類百般的扁蟲、線蟲、輪蟲、節肢動物、退火菌、真菌和原活潑物,全部社區顯得朝氣勃勃。

    基因分析顯現,這些生物都不是新物種,而是地表上的已知物種。進一步的觀察顯現,幾近一切復雜的地下居民都有配合的特點︰它們的分布很是普遍,是以很合適生活在極端情況中。那時,我們還制作了一段生物膜的視頻片斷,一層薄薄的、自力的生命層,附著在岩石深處的裂縫里。這個生物膜由細菌和有機基質組成,是一切這些動物的故里。

    我們還發現了一些非動物物種,比如真菌和原活潑物,它們生活在從7000到50萬年前不等的深裂縫水中。凡是它們在裂隙水里的數目很低,每10000升水中只要一個樣本。相比之下,在某些地域,我們發現細菌生物膜上每平方米的生物數目密度跨越100萬。由於已知的地下動物都很小,我們的拇指也許便可以包容全部生態系統,里面包括幾百個小型無脊椎動物、真菌和原活潑物。

    地表和地下物種的共性對延續研討組成了應戰。在任何時辰,我們必須停止普遍的分析,以確保發現的任何標本都不是我們正在挖掘淨化的成果。我們還丈量了水的年齡,以肯定它沒有遭到比來化學和細菌技術所影響。我們必須時辰連結無菌狀態。這有點兒類似于前往火星上分析樣本,以尋覓外星生命存在的證據。

    除了Halicephalobus mephisto,我們歷來沒有在Beatrix礦場發現過任何全新的多細胞生物。乍一看,這似乎是違反直覺的,由於我們預期深層地下有個持久的自順應挑選進程,這會致使新的生命形式出現。但是,事後看來,這並不使人驚奇。天下上任何地方的任何一塊土壤中,線蟲(或任何其他小型無脊椎動物)天天和每個季節城市經壓力循環。

    在陰沉的日子里,陽光會使土壤變得干燥。而鄙人雨時,水坑能夠會切斷一切的氧氣。在夜間,水凍成冰或更大的動物踩在地上城市增加壓力,致使土壤被侵擾。總之,生活在土壤概況的動物天天都承受著壓力。很多被水輸送到深層地下的生物體很久之前就已經順應了極端情況,所以它們不需要持久的順應挑選進程才能保存下來。

    即使在我們發現了生活在地下的生物的驚人之處以後,我們仍然對發現它們的地方感應措手不及。在我們對Beatrix礦的觀察中,我們發現了線蟲生活在含鹽的鐘乳石內,深度達1400米。此外,這類線蟲也順應了咸水生活,甚至沒法在淡水中存活。從概況上看,這個物種早在幾年前就被發現生活在咸水情況中。盡管Beatrix礦場位于一個干鹽鍋中,但使人感應困惑的是,依靠于鹽的地表蠕蟲是若何克服致命淡水的威脅成功進上天下如此深度的?

    深上天下的進程尚不清楚,這也是今朝研討的重點課題。即使在沒有答案的情況下,更普遍的熟悉是復雜的地表生命形式也能在深層地下存活,這對于在太陽系中行星及其衛星上尋覓生命來說是個好消息。舉例來說,在火星地表條件變得不適宜居住以後,類似的遷移進程能夠會將生命形式傳送到深層地下。

    我們進上天球內部尋覓生命的旅程才剛剛起頭。我們感愛好的是,深層地下的物種能否真的像它們看起來那樣孤立,這類地表-地下遷移能否是雙向的,某些地下生物能否經過溫泉重新出現在地表上。我們對Limpopo地域的溫泉水域以及南非南部和西開普省南部的分析,並沒有發現這類重新出現的任何證據。但是,這是個很有爭議的題目,我們正在繼續觀察,由於它將告訴我們,在地表和深層地下之間交換的遺傳物資有多頻仍。

    最初,我們熟悉到,我們能夠只摸索了深層地下生物圈的一小部分,能夠還沒有碰到它最重要的居民。這類概念的來由是,假如來自地表的天下性物種可以在深層地下保存下來,並與地表同類分手開來,那末在很長一段時候內,有些生物能夠已經順應了更深地下的條件。也許現在在我們的腳下,就有無數奇異而美好的生命形式正期待我們去發現。

     

                                                      
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