海底沉积物 -海底沉积物中稀土主要富集在哪些矿物相中

2010 年，来自综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）的科学家跟随船只驶入了南太平洋环流区。除了最干旱的地带以外，这片海洋可以称得上是地球上最贫瘠的地方。环流区的中心附近就是“海洋难抵点”（Oceanic Pole of Inaccessibility，是地表距离陆地最远的地方），同时也是南太平洋的“垃圾站”——微塑料会在这里堆积。科幻作家霍华德·菲利普斯·洛夫克拉夫特（Howard Phillips Lovecraft）的粉丝甚至认为这里是克苏鲁的家。有些时候，离这片海域最近的人可能是海域上空的国际空间站上的宇航员。

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尽管洋流会围绕环流区流动，但环流区内部是相对静止的。这里几乎没有营养物质进入，也鲜有生命存在，需要至少100万年才能累积一米的“海洋雪”，这是一种由海洋生物的尸体、排泄物和灰尘组成的物质，能将能量从光线充足上层带到海洋底层。可以说，这里是地球上生物生产力最低的地方。

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IODP团队从一个60多米高的钻井平台上向这片海域投放了长达数千米的探测管线。12个推进器会将钻井平台固定在波涛起伏的大海中。一旦探管触底，钻头会在多个位点向下钻入75米，直达深海粘土和钙质超微化石软泥之中。

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随着这些采集了海底沉积物的探管再次浮出水面，1亿年的地球历史也一同展现在我们眼前。IODP团队成员希望了解在这样空旷的海洋中会有哪些微生物生存，它们又能存活多久。正如预期的那样，原始沉积物样本含有的细菌很少，密度大约只有每立方厘米100~3000个，是高产水域中，同等深度样品的1/1000万~1/10。

不过，当研究者在实验室中培养这些细菌时，一些出乎意料的事情发生了。按理说，细菌在经历了1亿年的持续饥饿状态后，可能已经变成了微生物“僵尸”，即它们仍能存活，但不能生长，或者只能以人类无法测量、极慢的速度生长。在21世纪初，科学家诱导培养了几株从至多3500万年前的海洋沉积物中分离出来的细菌，但该实验并没有研究细菌的生长过程。2017年，一项关于无氧煤层微生物（形成于1600万~1200万年前的陆地上，但之后被海水浸没）的研究表明，从该处采集的微生物经过培养后能够生长，只是速度十分缓慢。它们的倍增时间从数月至一个世纪不等，算得上是已经观测到的生长最慢的微生物了。

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但这些来自南太平洋的微生物却完全不同。2020年7月，一篇发表在《自然·通讯》（Nature Communi-cations）上的文章表明，其中99%的微生物在养分充足的条件下会迅速“苏醒”，摄取营养并开始生长。只需培养68天，这些微生物的数量就能增长到最初的1万倍，每5天数量就会增长一倍。这些微生物的后代含有同位素标记的碳和氮元素，而这些信号只有在摄入了科学家提供的食物后才会出现。

这一结果值得我们深思。海洋沉积物覆盖了地球表面的70%，其中的微生物数量占据了地球微生物总量的一半。设想这样的情景，当蛇颈龙游过一片海域时，它们可能在海底觅食，导致沉积在海洋底部的微生物被唤醒并且开始增殖。接下来，在漫长的地质演化过程中，这些微生物被海洋和沉积物所保护，免受宇宙线损伤而存活了下来。当它们再次被挖掘出来并获得营养物质后，可以像什么都没发生过一样继续生存。

当然这只是猜想，从某种意义上来说，这种想法不太可能发生。想象一下这些微生物在黑暗中存在了长达1亿年之久。致密的海底沉积物就像不使用面粉的巧克力蛋糕，其中气孔直径不过0.02微米。鉴于细菌通常有几微米长，它们很难移动去寻找食物，更不可能意外地出现在科学家面前。

一些细菌（绝大多数是厌氧细菌）会产生芽孢用于增强自身抵抗力，并且降低代谢活性，这种变化似乎能让细菌应对恶劣的环境。芽孢常被认为是细菌休眠的一种形式。但当科学家研究环流区沉积物中细菌的DNA时，他们发现这些细菌几乎不会形成芽孢。大部分被唤醒的细菌竟然会进行有氧呼吸。

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更令人意外的是，研究者在一个培养了557天的实验样本中发现，一种光合细菌正在大量繁殖。这种拟甲色球藻属（Chroococcidiopsis）的细菌是一种蓝细菌，因其具有强大的生命力，曾被考虑送往火星，以改变火星表面的环境。这些细菌能在干燥、寒冷、含盐量高且有辐射穿过的半透明岩石下生存，并且具有利用红光的罕见能力。但是，这类能进行光合作用的微生物如何在海底繁殖，仍然是一个未解之谜。

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我们可以确定的是，含有这些细菌的沉积物形成于1亿年前，但是每个细菌的年龄还很难确定。其中一些细菌可能是原始细菌群落的后代，因此也更年轻。不过，繁殖的代价并不小，考虑到它们所处的环境，繁殖现象可能极少发生。总结来说，这些细菌在狭小的空间中生存，几乎不产生芽孢并且能够迅速恢复活性。《自然·通讯》的这篇论文的作者认为，贫瘠的沉积物中的微生物是有生命的，只是一直处于休眠状态。

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科学家推测，个别细菌在不繁殖的状态下可以生存数百万年。当然，这一点是否正确，需要等到探测细胞年龄的技术出现后才能确定，现有的技术只能探测沉积物的年代。几年前，当古生代煤层中的细菌被科学家唤醒时，我曾为《科学美国人》撰写了一篇博客文章。我推测，在多种严格受限的条件下，细菌可以永生。当然，时间似乎也是关键要素：白垩纪（约1.45亿~6600万年前）沉积物中的细菌复苏后，复制的速度可能只有数百万年前沉积物中细菌的一半。大量证据表明，我们生活在一个满是活化石的行星上，它们可能既是化石又是生命。

喜欢恐龙的人能够去博物馆参观恐龙的骨头、牙齿和足迹化石；喜爱植物的人也能观察石化林和其他树木化石。但喜爱微生物的人有更好的观察对象：他们想要看的化石可能还活着。

撰文 | 珍妮弗·弗雷泽（Jennifer Frazer）

翻译丨张长风

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