揭开南海深部微生物的神秘面纱

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所属分类:科普教育
摘要

        北纬15度、东经117度的南海海面上,色彩斑斓的mahi mahi(鲯鳅鱼)变换着泳姿和颜色迎接“决心号”的到来。你们是否已经知道在船上有生物学家?可是让你们失望了,mahi mahi!我们感兴趣的不是你们,而是你们深海家族中最不起眼的微生物!

        北纬15度、东经117度的南海海面上,色彩斑斓的mahi mahi(鲯鳅鱼)变换着泳姿和颜色迎接“决心号”的到来。你们是否已经知道在船上有生物学家?可是让你们失望了,mahi mahi!我们感兴趣的不是你们,而是你们深海家族中最不起眼的微生物!

        与海洋上层“海阔鱼跃”的自由世界不同,在海底深处狭窄的沉积颗粒物空隙之间或岩石缝隙之间生活着大小在微米级的微生物,分别是细菌和古菌。这些微生物可占全球海底沉积物中生物量的70%还多,总的数量达到1030个。形象地讲,假如把这些微小个体连在一起,它们的总长度相当于从地球到银河系中心距离的几万倍。

        海底微生物对人类来讲是一个神秘的世界。比如说,深海沉积物中的细菌和古菌到底有多少种类?它们是怎样在无光、缺氧、狭小空间、食物匮乏的环境中繁衍生息?它们是如何承载数千米水深和数百米沉积物或岩石带来的压力?如此等等,一系列的问题需要科学家来回答。我们为什么感兴趣这个命题?因为这些答案可以回答我们地球上生命起源的问题。为此,从2003年实施国际综合大洋钻探计划(也称为IODP)开始,深部生物圈就成为国际海洋前沿研究的科学目标之一。

        南海深部更是海底微生物研究的处女地,因为前人还从来没有在该区域数千米水深之下的数百米深的钻孔中开展过研究。“决心号”最近几年刚刚装配好世界上先进的微生物实验室,这为南海349航次开展深部微生物研究提供了宝贵机会。

 

揭开南海深部微生物的神秘面纱

作者在“决心号”上工作

        我们知道微生物无处不在,因此深部海底微生物研究的关键是无污染的样品采集和处理。作为船上生物地球化学家,我和来自美国俄勒冈大学的微生物学家Rick Colwell一起在航次开始阶段的主要精力就集中在样品采集和处理上。“决心号”钻探技术是使用原位海水作为泥浆循环液体,而在海水和钻探过程产生的泥浆中都充满了各种微生物。经过多年的经验积累,微生物学家们总结出了几个有效的方法,用于来排除和评估样品污染的可能性。一种方法是在钻井水或泥浆中添加一种叫perfluoromethyl cyclohexane的挥发性惰性液体,当岩芯取上来时,在岩芯中心部分采集1-2克新鲜沉积物并立刻装入玻璃瓶中密封,然后在船上实验室内气相色谱仪上进行检测,通过与标准曲线的对比,可以评估样品在钻探过程中被海水和泥浆污染的程度。另一种方法是将一种微生物大小的惰性微型圆珠(microspheres)配成液体溶液,装入塑料袋内随钻管带到钻孔底部,当钻头转动时塑料袋破裂,微型圆珠漏出并随泥浆一起与岩芯表面接触,遇到岩芯的裂缝时(主要适用于坚硬的岩石),微型圆珠就会侵入岩芯内,我们就对采集上来的岩芯进行显微镜观察,检测到微型圆珠的多少可以用来判定岩芯样品被污染的程度。

        采集到的样品要马上存放在室温7-8°C的厌氧箱内以避免与空气接触,这是因为海底沉积物在表层以下基本是无氧环境,活的微生物都是厌氧细菌或古菌,如果在空气中放置,这些微生物就会很快死亡。同时,低温可以尽量保持和浅层沉积物温度一致,或使微生物像冬眠的动物一样延缓代谢,不至于过早死亡而降低在实验室培养它们的可能性。

        随着钻探深度的增加,我们发现沉积物颗粒之间的空隙越来越小,空隙水也越来越少,而大多数海底微生物所赖以生存的有机物也将变得越来越难以降解,这不禁让人想起老一辈人所讲的红军爬雪山过草地时咬皮鞋、啃树皮、喝马尿充饥解渴的艰难生活。这些在海底黑暗深处生活了上百万年的微生物,是否已适应了狭小空间、缺水少食的极端困境了呢?南海349航次为我们探索这个奥秘提供了绝佳时机,南海深部微生物世界的神秘面纱正在一步步地揭开。

 

(作者:张传伦,2014年2月15日于南海“决心号”钻探船,作者为同济大学海洋与地球科学学院教授,中组部千人计划专家)