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新知 | 深埋海底1亿年微生物复苏,“地球主人”微生物有着怎样的前世今生
2020/08/04 20:29  交汇点新闻  

  交汇点讯 近日,由日本和美国科学家组成的研究团队成功复活了存在于地表下18000英尺(约5.5千米)、来自1亿年前的微生物。要知道,这些微生物早在恐龙灭绝之前就已经处于休眠状态。

  不过,科学家告诉我们,就微生物圈来说,这些苏醒的微生物实在属于“年轻后辈”,比他们年长的“亿岁老人”大有人在。那么,微生物的前世今生有着怎样的故事?

  人类发现最古老的微生物,来自38亿年前

  距今约46亿年前,地球诞生。但那时的地球荒凉无趣,没有生命存在,直到这一天——微生物的出现。

  “地球上的第一个细胞,就是微生物。”中科院南京地质古生物研究所现代古生物学和地层学国家重点实验室主任袁训来告诉《科技周刊》记者,“至今为止,我们发现最早的微生物可以追溯到38亿年前,从那时起到至今六七亿年前,地球上一直都是微生物的世界,且种类可能比现在的更多更复杂。”

  这个有着数十亿年历史的庞大家族,同样有着一代又一代的进化史。南京农业大学微生物学系教授闫新表示:“一方水土养一方人,一方水土也养一方菌,地球上的环境条件不断变化,微生物为了更好地生存也随之不断变化。当然,微生物的活动反过来也会改变环境,二者在相互作用中一起变化。”

  正因为记录与反映、甚至影响着地球环境变化,微生物成为了科研人员探索地球环境演变的生物密码。

  今年5月,中科院南京地质古生物所副研究员郑全锋等研究人员在华南的二叠系-三叠系界线微生物岩中,发现了一种名为似Polybessurus的单细胞球状蓝细菌化石。郑全锋介绍,似Polybessurus蓝细菌化石普遍存在于华南的二叠系-三叠系界线微生物岩中,是这些微生物岩的主要造岩微生物。这一发现以化石的证据直接证实了二叠纪末生物大灭绝后蓝细菌爆发事件,且该类微生物的发现也在一定程度上再现了二叠纪末生物大灭绝后热带浅海海域的微生物群面貌,对于了解大灭绝后的海洋生态环境具有重要意义。

  在地球史上,一共发生过5次著名的生物大灭绝事件,其中距今大约2.5亿年前发生的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”最为严重,造成了超过90%的海洋物种从地球上完全消失。不过,也不必为当年的地球担心。因为,每一次后生动物的大量灭绝都会导致微生物的极度繁盛,其主要表现就是灭绝之后的地层中微生物岩的广泛发育和微生物标志化合物丰度的激增。也正由于微生物的繁盛,为大灭绝后幸存下来的后生动物提供了丰富的食物,从而迎来生命复苏与爆发的下一个时代。

  其实,不仅1亿年前已经休眠的微生物比较少见,微生物化石同样难寻。郑全锋介绍,微生物化石的保存形式主要有碳质压膜保存和矿化保存两种。其中,碳质压膜形式保存的微生物化石一般只能在细颗粒的碎屑沉积岩中形成,如页岩或粉砂岩。矿化形式保存的微生物化石主要包括碳酸盐化石、硅质化石、磷酸盐化石、硫化物化石等。“微生物形成矿化化石,需要两个条件。简而言之,就是矿化过程要发生在微生物有机体腐烂和降解之前,矿化的矿物颗粒最好是纳米级矿物颗粒,这样才能很好地保存微生物的形态和解剖结构。另外,微生物化石要能长久保存在岩石中,还需要这些化石不能遭受后期成岩作用的强烈改造,尤其是重结晶作用。即使微生物化石已经在岩石中形成,但之后岩石中发生的重结晶作用也往往会破坏这些微生物化石。”

  不起眼的微生物,却是地球的“真正主人”

  对于“庞然大物”人类来说,微生物可能微不足道。但其实,人类却是生活在微生物的海洋中。仅仅在人体内外,就存在着大量的微生物。闫新介绍,人体内微生物的细胞数大概是人体细胞数的10倍,环境中的微生物就更不计其数了。微生物不仅数量庞大,种类更是极其丰富。为了便于研究,科学家们将微生物划分为细菌、

  古菌

  、真菌、原生动物、单细胞藻类、病毒和亚病毒这几大类群。

  “上至万米高空,下至几千米深的地下,都能找到活着的微生物。”袁训来告诉记者,微生物存在于各处,而且很常见。当连续多日降雨的时候,石板地上可能会出现一层薄薄的绿色覆盖物,踩上去会有滑滑的感觉,这就是微生物蓝细菌。如果拿上小瓶子去玄武湖内打上一瓶水,选择少许放至显微镜下,可能会发现上万种活跃的微生物。“当然,也有一些微生物只能在特定的环境下生存。比如在美国黄石公园内超过100℃的热泉中,就生活着一种适宜高温的微生物‘古菌’。菌如其名,这种微生物在数十亿年前就已经存在。如果暂时脱离这种高温环境,它们会进入休眠状态。”

  在我们的身边还能见到那些有着古老基因组的古菌吗?“很容易找到。”袁训来回答。比如,深挖至煤堆的最底下,在煤渣的黑水中,生活着一种很原始的古菌——甲烷菌。甲烷菌的性格、脾气与其他微生物不同,只有在无氧的条件下才能生长繁殖。“所以,人们常会在密不透气的池子里放上甲烷菌爱‘吃’的食物,如各种农作物的茎、叶及许多排泄物、废弃物。让甲烷菌生长并释放出一种无色、略带一点酸臭的可燃性气体,也就是俗称的沼气。”

  “微生物之所以能无处不在,繁荣于地球, 很大程度上归功于其代谢的多样性,通俗来说就是食谱广。”闫新表示。对于微生物来说,有机无机有毒无毒好啃难啃皆不在话下,有些细菌以农药甚至塑料为食。也正是因为微生物“食物种类”多样的特点,人类利用微生物可以解决不少大麻烦。

  在医疗健康方面,乳酸菌等益生菌可以帮助人类调节肠道菌群平衡,一些甚至病毒可以作为载体制作疫苗;食品方面,微生物可以被用来发酵产生酒、醋、酱油和面包等食物;在环境方面,污水处理主要就是借助微生物分解有毒有害污染物……随着合成生物学的兴起,人类改造微生物的能力越来越强,微生物作为细胞工厂的潜力被无限放大,几乎可以合成任何化合物。

  来自地球的微生物,会成为其他星球的生命起源吗

  既然微生物如此强大,它们有机会跟随人类的航空器飞往外太空和其他星球上演繁衍吗?

  今年7月下旬到8月上旬,恰逢26个月一遇的火星探测器发射窗口期,阿联酋的“希望”号火星探测器已于迪拜时间7月20日发射成功,中国的“天问一号”也在北京时间7月23日发射成功,美国的“毅力号”火星车即将择期发射。而火星也一直被科学家们认为是唯一可能会适合人类移民移居的星球。

  当这些火星探测器还在地球上时,一定会有微生物附在其表面繁衍生息。当这些微生物离开地球之后呢?会不会因此给其他星球带去生命的种子呢?

  “从上个世纪70年代人类第一个火车探测器在火星着陆至今,没有任何可靠证据证明火星上有从地球前往的微生物或其他生物存活下来。”袁训来斩钉截铁地表示,以我国刚刚发射成功的“天问一号”为例,从地球前往火星的太空之旅长达7个月,在宇宙中飞行,探测器所面临的是最低温度达到-273.15℃的真空环境,同时还存在各种宇宙射线。如此条件下,微生物的活性蛋白会失去活性。这样艰难且遥远的旅途,实在不适合微生物的生存。

  不过,如果真的有如此强大的微生物成功抵达了火星,结局如何呢?“等待它们的依旧还是死亡。”袁训来说,“火星的温度在-133℃至27℃之间,大气密度仅为地球的1%、成分以二氧化碳为主。最重要的一点,火星表面并不存在液态水。水是生命之源,因此,即使侥幸活到火星,微生物也会最终毙命。”

  交汇点记者 叶真

  实习生 孙海峰

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责编:张红

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