本是“同根生” 今成“陌路人”

　　

一个国际研究小组经过十几年的研究发现，无论科学家们观察地球深处的哪个地方，相同的19种微生物总是会出现，没有人知道这些微生物是如何实现全球化的。基因测序也还无法提供它们是如何在极端深度、高温和高压等一系列环境里存活的信息。也许它们曾来自同一个地方，但随着地球的演化，从此失散——

 

■记者 胡珉琦 马佳

 

通常说起对于地球深处的认识，炙热的岩浆总会抢先占据我们的印象。多数人不会怀疑那种地狱般的环境会拒绝任何生命形式的存在。不过，科学家总是在挑战，当然他们并不是去挑战严酷的环境，而是挑战我们对自然习以为常的认知。

 

一个国际研究小组自2000年以来，利用井筒和钻探设备在全球不同地区向地下的未知世界探索，获得了大量的信息。并在12月举行的美国地球物理学协会会议上公布了一些早期结果。

 

研究参与者之一的美国密歇根州立大学副教授马特·施伦克（Matt Schrenk）告诉《中国科学报》记者，在长达12年的钻探取样中，国际小组的科学家发现不论是在南非金矿，还是海底地层深处，有19种相同的微生物总是会出现。

 

而在南非金矿中“蹲守”10年的一组科学家发现了深处地下四五千米处寒武纪地层中存在微生物的证据。

 

问题也随之而来，这些相隔数千公里、生存在地下深处岩石缝隙中的微生物为何会彼此相同？它们经历怎样的进化过程？是否从相同地区产生并扩散到全球？在地下几千米的严酷环境中，它们如何生存？

 

怎样“移民”？

 

施伦克在接受《中国科学报》记者邮件采访时介绍，在“地表世界”，我们认为微生物通过水流、大气就可以在很短的时间尺度内在土壤和海洋中迁移。但在另一方面，那些生活在地球深部世界中的微生物，生活在孤立、经过长期地质运动形成的岩石的裂缝当中，也许会最终影响微生物的分布。“比如我们目前在大洋中脊发现的有机体，它们最终很有可能会通过扩散迁移，在几百万年以后生存于大陆的地层之中。”

 

但为什么在不同地点会出现相似的微生物，研究人员却很难找到一个合理的解释。

 

中国地质大学教授董海良告诉《中国科学报》记者，与地表、海洋不同，地下深部都是坚硬的岩石，基本不存在迁移的通道，如果有可能，也只能是存在于一个很小的空间范围内。在中国，根据不同的地质构造、地质环境，在几公里甚至几十公里的区域内，也许存在微生物迁移路径，比如可以随着地下水的流动，慢慢扩散到别处。但要通过这种方法从一个大陆迁移到另一个大陆，很难想象，可能性很小。因此，这种猜测理论上是不成立的。

 

历史上，海洋和陆地是经过多次聚合和分裂才形成现在这样的格局。这些地下深部的微生物是否可能跟随板块运动而从此分散？

 

董海良认为这种说法也很有意思。此前，南美洲与非洲同属一片陆地，后来因为大西洋的形成一分为二。如今，非洲、南美洲甚至是北美洲都发现过一些类似的生物化石。“因此，如果这些微生物同在一处，后因板块运动分散到各地，并不是没有道理。”不过，他也提出，板块运动的时间尺度很长，而科学家目前还无法准确测定微生物的年龄，如果那些微生物是在最后一次板块漂移运动之后才出现的，这种推测就无法成立。

 

早在2001年，中国的科学家发现在江苏连云港东海地下深部超高压变质岩中发现的微生物和南非金矿地下5公里左右的微生物种类也很相似。但同时，董海良也发现了一个有意思的现象，这些深部微生物的基因序列与现在连云港或者苏北地区土壤中的微生物基因序列并不相似，而是与现代海底的微生物相似，都具有低温、嗜盐的特点。因此，董海良怀疑，江苏东海深部超高压变质岩中的微生物最早可能位于古海洋。

 

“大洋板块向陆地板块俯冲时，海洋的表层、海底的微生物，甚至一些海水都可以被带到地下深部去。”他解释，而全球的海洋是贯通的，微生物可以“乘着”洋流到达任何大陆，并通过海洋与陆地的相互作用而“上岸”。而地表的一些微生物，也可以通过地表与地下的通道，比如降水、径流，通过致密度不高的岩石到达地下。

 

极限中的进化  

人们也许还会很自然地想到，这些微生物本来就存在于地下深部，从来没有移动过，只是地下相似的环境中进化成同样的微生物。在董海良看来，这些地下深部确实都存在某些共性，比如高温、高压，甚至具有高放射性。“如此一来，微生物的生存介质都是岩石、矿物环境，依靠化学能量进行新陈代谢，因此，有可能那些微生物的原始状态并不相似，但是遇到了相似的生长环境，通过进化变成了类似的物种。”

 

这些广泛分布于地层中的19种地下微生物，主要发现于蛇纹石当中。同济大学海洋与地球科学学院教授张传伦告诉《中国科学报》记者：“蛇纹石实际上是由橄榄石等超基性在水下风化得来的。”

 

在海洋刚刚形成的时候，海洋地壳的主要成分是基性超基性岩石。这些岩石在与海水的交换反应下，橄榄石会与水发生反应，释放氢气，而氢气是自养生物非常重要的能量来源之一， 也能通过与二氧化碳反应产生甲烷。

 

由于地下高温、高压，甚至可能高辐射的环境，这些微生物必须拥有特殊的本领才能在这些环境中生存下来，同时介质中有限的养分也让它们放缓了生长。张传伦说，按照理论计算这些生活在极端环境中的微生物几个世纪甚至几千年才分裂一次。

 

虽然生活在截然不同的环境中，但是施伦克告诉《中国科学报》记者，这些地下微生物也并不是前所未见的新物种。它们的结构与基因和地面所有的生物有类似的地方，也有DNA、RNA、蛋白质以及脂肪酸。

 

但是地层深处与地表环境差异极大，为何并未产生与地表完全不同的物种？

 

张传伦告诉《中国科学报》记者，通常物种之间的差异仅仅由DNA中很少的碱基对的差异造成。如果两种生物之间的这种差异达到了3%，那么就可以确定为两个不同的物种。

 

施伦克表示，大多数的生物体，一个基因组就拥有1000个基因，因此3%的差异或者说97%的相似度仅仅是“故事中的一节”。也就是说即便确定为同一物种的微生物，在生理生态上也会有很大差别。因此，很多深层生物圈的微生物与它们在地表上的“亲戚”差别是非常大的。

 

董海良进一步解释说，目前科学家对98%～99%的微生物的功能都并不清楚。他告诉《中国科学报》记者，微生物的种类太多了，要想知道一种微生物的功能，必须对单个物种进行生理培养。可极端环境很难模拟，温度、压力还相对简单，可以模拟，但是地下空间的营养成分则非常复杂。对于普通的大肠杆菌，在正常的实验室环境下20~30分钟就可以分裂一次，而对于几千年甚至几万年才分裂一次的极端微生物，模拟的时间成本也很高。

 

施伦克表示，他们刚刚开始了解这些新发现的微生物的生理机能和基因容量，“这毫无疑问将带来大量的令人兴奋的发现”。

 

与世隔绝的碳循环参与者

 

经过10年的钻探和研究，这些微生物样本大多来自地下100米至2000米深的岩石中。施伦克告诉《中国科学报》记者，与海底“热泉”附近的微生物不同，热泉的微生物可以通过流体与地面世界保持着动态的联系，而地下岩石中的这些微生物，与地面失去联系已经有几百万年。“这对于研究这些有机体如何定居于这里，如何进化、适应地下的极端环境以及它们极慢的生长速率都很重要。”

 

“尽管这些微生物可能已与地表失联了很久很久，并不代表它们完全不参与地球的物质循环。”董海良表示，它们的新陈代谢速度很慢，很不活跃，但它们有的是大把的时间。它们实际上参与了全球的碳循环。

 

空气中的二氧化碳经过微生物的固定、自养变成有机碳，随着沉积埋藏进入地下深处。然后由地下的微生物将这些有机质分解产生甲烷与其他物质。

 

在全球变暖，温室气体大量排放的今天，人类甚至可以把工业排放的二氧化碳直接注入地下，通过微生物的参与，合成有机碳，从而生成生物能源。

 

此外，它们大量参与了石油、天然气等能源的形成。董海良介绍，有的微生物可以增加石油的采收率，一个油田如果只靠地下自然的压力，回收率不会超过30%，而适应高温、高压环境的微生物有一些特殊的性能，可以产生气体和表面活性剂，可以把有机大分子降解成小分子，从而增加石油的流动性，把石油压上来，增加采收率。