Nature：科學(xué)家揭示海洋下洋殼巖石中深部微生物生存策略

海底堅(jiān)硬的巖石圈內(nèi)是否有微生物存在？它們依靠什么方式維持生命？近日，《自然》在線發(fā)表了同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院副教授李江濤與美國伍茲霍爾海洋研究所合作完成的最新研究成果。該研究顯示，海洋下洋殼巖石中的確存在微生物，它們?cè)谝蕾囎责B(yǎng)方式生存的同時(shí)，更大程度上依靠攝取現(xiàn)成有機(jī)物的異養(yǎng)方式生存，研究由此揭示了海洋下洋殼巖石中存在的深部生命圈及其生存策略。

過去近20年間，地球深部生命研究取得的重要進(jìn)展之一便是發(fā)現(xiàn)了海底洋殼生物圈。由于洋殼在全球海底分布廣泛，體積龐大，是全球海洋沉積物總體積的5倍左右，棲息于此的微生物規(guī)模不可忽視，它們對(duì)全球生物地球化學(xué)元素循環(huán)和海底地貌風(fēng)化都具有重要的潛在影響。然而，受采樣技術(shù)和條件的限制，對(duì)洋殼巖石生物圈的研究和認(rèn)識(shí)還十分有限。目前，有限的研究幾乎全部集中于洋殼表層的玄武巖中，而對(duì)占洋殼體積近三分之二的下洋殼，盡管科學(xué)家認(rèn)為其也是深部微生物的可棲息環(huán)境之一，但目前還缺少直接的證據(jù)，對(duì)棲息于此的微生物及其對(duì)極端環(huán)境的應(yīng)對(duì)策略研究也是空白。

2015年11月30日至2016年1月30日開展的國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP） 360航次為科學(xué)家們研究下洋殼深部生物圈提供了良好契機(jī)。位于西南印度洋洋中脊Atlantis II轉(zhuǎn)換斷層的Atlantis Bank，早期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)將上洋殼剝蝕，導(dǎo)致下洋殼的巖石直接出露于海底，從而成為洞察洋殼深部生物的天然窗口。IODP 360航次在該地區(qū)進(jìn)行了鉆探取芯，獲得了自海底以下809米范圍內(nèi)的下洋殼輝長巖。

研究自鉆井取樣伊始至后續(xù)室內(nèi)分析均采取了嚴(yán)格的防污染措施，在近800 米的深度剖面上，自上而下選取了11個(gè)巖石樣品用于分析測試。從細(xì)胞染色計(jì)數(shù)的結(jié)果來看，下洋殼輝長巖中的生物量極低，遠(yuǎn)低于正常海洋沉積物及上洋殼表層玄武巖中的生物量。同時(shí)，一系列證據(jù)表明巖石中這些微生物的細(xì)胞是完整、且能夠進(jìn)一步生長發(fā)育的，證據(jù)包括：對(duì)巖石進(jìn)行長期的富集培養(yǎng)，檢測到了甲烷濃度的增加，表明產(chǎn)甲烷過程的發(fā)生；從大部分巖石中檢測到了一定的ATP濃度，證明了活躍微生物的存在；部分樣品中檢測到了堿性磷酸酶的活性等。

通常認(rèn)為下洋殼巖石的環(huán)境條件惡劣，營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，棲息于此的微生物所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)便是如何獲取足夠的碳源和能量來滿足基本的能量需求以支持其生長。這項(xiàng)研究的一大亮點(diǎn)在于成功提取了超低生物量巖石樣品中微生物的mRNA宏轉(zhuǎn)錄組，從基因表達(dá)水平解析了微生物在下洋殼巖石極端環(huán)境中的生存策略。研究結(jié)果證實(shí)了包括H2氧化、CH4氧化、硫/氮循環(huán)等海洋極端環(huán)境常見的化能自養(yǎng)途徑的存在。然而，出乎意料的是，研究中得到較為豐富的涉及異養(yǎng)過程的基因，其表達(dá)似乎要遠(yuǎn)高于自養(yǎng)過程，表明更多的微生物通過使用可發(fā)酵的有機(jī)大分子來適應(yīng)下洋殼環(huán)境“慢車道”生活?！斑@些代謝途徑反映了深部生物圈對(duì)有限和零星可用資源的競爭與適應(yīng)?！崩罱瓭f。

海洋學(xué)專家表示，該項(xiàng)研究結(jié)果證實(shí)了下洋殼深部生物圈的存在，拓展了生物圈在地球圈層內(nèi)部分布的下限。鑒于下洋殼在全球海底的廣泛分布以及其具有的巨大體積，棲息于此的微生物群落即使具有極低的生物量和較緩慢的生長速率，但它們?nèi)匀豢赡軐?duì)全球物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要的影響。(生物谷Bioon.com）

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