海底細菌活化石

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微生物學

海底細菌活化石
海底細菌活化石

2021-09-01 佛雷塞(Jennifer Frazer)

受困於海洋沉積物一億年的微生物甦醒了,而且還有繁殖能力, 越來越多證據顯示,它們的壽命或許沒有極限。

2010年,國際整合海洋鑽探計畫(Integrated Ocean Drilling Program, IODP)的科學家把船駛入南太平洋環流,那裡好比海中沙漠,比地球上絕大多數乾旱的地方都更加荒蕪。環流的中心附近為「海洋難抵極」(Oceanic Pole of Inaccessibility),也是積聚大量塑膠微粒的南太平洋垃圾帶(South Pacific garbage patch),而美國作家洛夫克拉夫特(H. P. Lovecraft)的書迷都知道,長滿觸鬚的克蘇魯(Cthulhu)就棲居於此。國際太空站的太空人偶爾飛掠上空,成了最靠近這裡的人類。

儘管洋流在周圍迴旋,南太平洋環流內的水是靜止的。很少營養物質流入,生物難以存活。至少要100萬年,其底部才會累積出一公尺厚的海洋「雪」。這積雪由上層透光區的屍體、糞便和塵埃所組成,會傳遞養份至海洋深處。此處可說是地球上最沒有生產力的水域。

IODP團隊從60多公尺高的起重架降下數公里長的管道、穿入這片海水。12部推進器在波濤起伏的海中穩住整具鑽探機的方向。一觸及底部,鑽頭便鑽入深海黏土和鈣質超微化石軟泥層,鑽探深度可達75公尺。

當沉積岩心被拉升至水面,管內所含的是近一億年的地球史。研究團隊想知道,受困於此岩層的微生物,究竟可以在幾乎空空如也的海洋冰庫中存活多久?處於何種狀態?正如預期,沉積物樣本中並沒有多少細菌,每立方公分僅100~3000個,比生產力較高水域的相同深度還少10~1000萬倍。

然而,科學家在實驗室提供養份給那些細胞時,發生了始料未及的情況。一億年來缺乏養份,可能會使細胞成為微生物「殭屍」:它們仍活著卻失去生長能力,或是生長速度非常緩慢。千禧年初期一項實驗中,從3500萬年前的海洋沉積物分離出一些細菌,經人工培養後誘使生長,但該實驗目的並非估算其增長狀況。2017年針對缺氧煤層(1600萬~1200萬年前沉積於陸地隨後又沒入海中)微生物的一項研究發現,分離出的微生物開始增長了,只不過極為緩慢,數個月到一世紀才增加一倍,算是有史以來直接測量到的最慢速度。

但根據去年7月發表在《自然?通訊》的研究顯示,近99%的微生物一旦獲得養份便快速「甦醒」、進食、做那些細菌會做的事,數量在培養68日內劇增至一萬倍,約每五日增加一倍。科學家提供的食物含有特殊標記的碳和氮同位素,可藉此估算新增的子代。

我們先暫停一下,思量這些結果的涵義。海洋沉積物覆蓋了地表70%,居於其內的微生物佔據地球上所有微生物生質將近一半。在蛇頸龍(plesiosaur)仍優游海洋時,可能早已沉積至海底的細菌,在去年這項實驗裡甦醒並繁殖了。經歷地質年代四個紀(period),這些微生物在厚厚的海洋和沉積物保護下,免受宇宙射線危害而留存,在挖掘上來並給予養份後,它們繼續生活,好像什麼事都沒發生過。

某種意義上,當然有事發生過。想像在黑暗中捱餓一億年的感覺,是否就像永無止境的疫情?緻密的沉積物孔隙估計約0.02微米,質地有點類似無麵粉巧克力蛋糕。一般細菌的尺寸約為數微米,可想見,為覓食而移動或者希望食物從天而降,有多麼艱難。

某些細菌(多數是厭氧菌)會形成內孢子,這種堅實結構無代謝活性,似乎能讓細菌度過惡劣環境,孢子常被視為衰老細菌的載體。但當科學家以DNA探針辨識沉積物中的細胞時,發現其中相對缺乏能生成孢子的菌種,事實上,那些復甦的細菌大多需要氧氣。

更令人驚訝的發現是,某一樣本在培養557天後竟然有越來越多的光能捕獲細菌(light-harvesting bacteria),這種稱為擬色球藻(Chroococcidiopsis)的藍菌(cyanobacterium)生命力很強,一般認為可把火星環境改造成類似地球(terraforming)。除了能在乾燥、寒冷、鹽化且充斥輻射之處的透光岩石下存活,擬色球藻還具有利用紅光的特殊能力。這種光合微生物如何在黑暗的實驗室中設法繁殖,還是個謎......

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2021年第235期09月號】