海底沉积物 -海底沉积物中稀土主要富集在哪些矿物相中

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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撰文 | 珍妮弗·弗雷泽(Jennifer Frazer)

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翻译丨张长风

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欧克克
活跃在2024-12-1
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