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对微生物的新研究扩大了地球及其他地方生命的已知极限

更新时间:2024-01-15      点击次数:164


斯坦福大学科学家领导的新研究预测,生命可以在极度含盐的环境中持续存在,超出了之前认为可能的极限。

 

这项研究于 12 22 日发表在《科学进展》上,基于对南加州海岸工业池塘盐水中发现的数千个单个细胞的代谢活动的分析,在那里,水从海水中蒸发以收获盐。这些结果扩大了我们对整个太阳系潜在宜居空间的理解,以及对一些地球水生栖息地因干旱和水转移而变得更咸可能产生的后果的理解。

 

斯坦福杜尔可持续发展学院地球系统科学助理教授、资深研究作者安妮·德卡斯(Anne Dekas)表示:我们不可能到处寻找,因此我们必须认真考虑在哪里以及如何在其他行星上寻找生命。" 拥有尽可能多的关于生命在地球端极环境中的生存地点和方式的信息,使我们能够优先考虑其他地方的生命探测任务目标,并增加我们成功的机会。"

 

对探测地球以外生命感兴趣的科学家长期以来一直在研究盐分环境,他们知道液态水是生命所必需的,而盐可以让水在更广泛的温度范围内保持液态。盐还可以保存生命迹象,就像盐水中的泡菜一样。“我们认为含盐的地方是寻找过去或现在生命迹象的良好候选者,"该研究的主要作者、德卡斯实验室的地球系统科学博士生艾米丽·帕里斯(Emily Paris)说。盐可能正是使另一个星球适合居住的东西,尽管它也是地球上高浓度生命的抑制剂。"

 

这项新研究是一项名为“跨时空海洋"的大型合作的一部分,该合作由康奈尔大学教授布兰妮·施密特领导,并由美国宇航局天体生物学计划资助,该计划汇集了微生物学家、地球化学家和行星科学家。他们的目标是:了解海洋世界和生命如何共同进化以产生可检测的过去或现在的生命迹象。了解海洋世界适宜居住的条件,并开发更好的方法来检测生物活动信号,是预测太阳系其他地方可能发现生命的步骤。

 

帕里斯表示,我们还应该考虑盐度变化如何影响地球上的生态系统。例如,犹他州大盐湖水位下降导致盐度增加,这可能会影响食物链上游的生命。

 

帕里斯说:“除了生命探测的角度之外,了解盐度的影响对于地球的保护和可持续发展也很重要。"我们的研究表明盐度增加如何改变微生物群落组成和微生物代谢率。这些因素会影响营养循环以及甲壳类动物和昆虫的生命,它们是候鸟和其他水生动物的重要食物来源。


地球上最咸的水域


旅客飞越盐池,例如南湾盐厂(本研究的样本就是在那里收集的),或者沿着旧金山湾飞行,可以看到地球上一些活跃的微生物发出霓虹绿、铁锈红、粉红色和橙色的万花筒般的光芒。拼凑而成的颜色反映了适应在不同盐度水平下生存的水生微生物的排列,或者科学家所说的“水分活度"——可用于微生物生长的生物反应的水量。

 

“我们很想知道什么时候水分活度变得太低,盐度变得太高,以及微生物生命在什么时候无法生存,"帕里斯说。海水的水分活度约为 0.98,而纯水的水分活度为 1。大多数微生物在水分活度低于 0.9 时停止分裂,据报道,在实验室环境中维持细胞分裂的绝对低最水分活度水平刚刚超过 0.63

 

在这项新研究中,研究人员预测了新的生命极限。他们估计生命在低至 0.54 的水平下就可能很活跃。

 

斯坦福大学的科学家与来自全国各地的同事合作,从南湾盐场收集样本,该盐场是地球上一些最咸水域的所在地。他们从盐厂不同盐度的池塘里装满了数百个瓶子,然后将它们运回斯坦福大学进行分析。

 

现场水分活度测试由美国METER Group, Inc.公司的AquaLab 4TE水分活度仪完成。


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更快地寻找生命


此前寻找生命水分活度极限的研究使用纯培养物来寻找细胞分裂停止的点,标志着生命的终点。但在这些端极条件下,生命缓慢地痛苦地翻倍。如果研究人员依靠细胞分裂来测试生命何时停止,他们将面临长达数年的实验室实验,而这对于巴黎这样的研究生来说是不切实际的。即使进行了细胞分裂研究,也无法表明生命何时死亡。事实上,细胞可能具有代谢活性,并且即使在不进行复制时仍然非常活跃。


 

因此,帕里斯和德卡斯研究了露天盐池中的微生物,以确定不同的生命极限——细胞活动的极限。

 

研究团队对之前的研究做出了三项关键改进。首先,他们没有使用纯培养物(这是科学家对哪种特定微生物物种或菌株弹性的标准最佳猜测),而是进入了实际的生态系统。在盐厂,环境自然选择了适合最这些特定条件的复杂生物群落。

 

其次,研究人员对生命使用了更灵活的定义。他们不仅认为细胞分裂,而且将细胞构建视为生命的标志。“这有点像观察一个人吃饭或成长。这是活跃生命的标志,也是复制的必要先驱,但观察速度要快得多,"德卡斯说。

 

在数百个盐水样本中(其中一些样本非常咸,像糖浆一样浓稠),他们确定了水分活度水平,以及盐水中的细胞中含有多少碳和氮。通过这种方法,他们能够检测到细胞的生物量何时增加了 1% 的一半。相比之下,专注于细胞分裂的传统方法只能在细胞生物量大致翻倍后检测生物活性。然后,根据这个过程随着水分活动的减少而减慢,科学家们预测它的截止将全完停止。

 

第三,虽然其他科学家已经大量测量了盐水中碳和氮的掺入量,但斯坦福大学团队使用斯坦福大学一种名为 nanoSIMS 的罕见仪器进行了逐个细胞分析,该仪器是该国仅有的少数仪器之一。这种灵敏的技术使他们能够观察其他腌制"细胞中单个细胞的活动,这些细胞的存在会掩盖批量分析中的活动信号,并达到较低的检测限。

 

“环境样本的单细胞活性分析仍然相当罕见,"德卡斯说。“这是我们分析的关键,随着它的应用越来越广泛,我认为我们将看到微生物生态学方面的进展,从了解全球气候到人类健康,这些进展具有广泛的相关性。我们才刚刚开始在单细胞水平上了解微生物世界。"


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