“僵尸”微生物重新定义了生命的能量极限

能源驱动着地球；它是所有生物用来生长、发展和运转的货币。但是，细胞只需要多少能量就可以度过难关呢？海底以下的沉淀物微生物--数量可能超过在海洋中发现的微生物细胞--提供了一些令人惊讶的答案。这些有机体不仅挑战了科学家们认为他们知道的关于生命能量需求的知识，还暗示了定义生命是什么以及我们可能在哪里找到它的新方法。

上周，研究人员在“科学进展”杂志上展示了迄今为止最完整的海底下奇怪的、隐藏的生物圈的图片。海洋钻探探险队反复探测那些无光的深度，发现了几乎在暂停生命中存活的细胞，比它们在表面的邻居消耗的能量少了几个数量级。但新研究中提出的模型显示，这种类似僵尸的状态可能适用于海洋沉积物中的绝大多数微生物-它们通常依靠接近理论上的最低生命能量收支生存。

伦敦玛丽皇后大学(Queen Mary University Of London)地球生物学家、这项新建模研究的主要作者詹姆斯·布拉德利(James Bradley)说，“整个细胞生物圈的大小相当于世界上的土壤，几乎没有足够的能量来生存。”

为了了解生活在海底沉积物中的微生物，科学家通常必须继续钻探探险，以提取它们的样本。但这些任务既困难又昂贵--由于地球表面有70%被海洋覆盖，“我们很快就意识到，我们无法获得绘制海洋沉积物图所真正需要的样本数量，”这篇论文的合著者、南加州大学暗能量生物圈调查中心(Center for Dark Energy生物圈Investigations)主任简·马迪恩(Jan Amend)说。“因此，我们需要使用现有的数据，并用建模方法扩展这些数据。”

为此，修正、布拉德利和他们团队的其他成员将海洋划分为数十万个部分，并使用数十年的探险、实验室实验和理论模型的数据来推断每个部分中较年轻沉积物的详细剖面。他们估计的值包括沉积物的年龄，其中细胞的密度和分布，这些细胞是如何获得能量的，以及这些细胞代谢可用营养的速率。

根据这些值，研究人员计算了每个区域的电池功耗-细胞获得和使用能量的速率，而不仅仅是能量本身的数量。没有参与这项研究的田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee，Knoxville)微生物学家凯伦·劳埃德(Karen Lloyd)说，“这很重要，因为这是谈论生命能量的更准确的方式。”“时间对生命来说真的很重要。”

他们发现，埋藏在海洋沉积物中的电池以令人难以置信的低功率水平运行。总体而言，这些沉积物中的微生物，在某些地方可能延伸到海底以下几公里，总共只使用海洋上部200米所消耗能量的十分之一。平均而言，每个细胞在沉积物掩埋下存活下来的功率水平远远低于劳埃德所说的“世界上一些最耗能的东西”，而且比实验室中测量过的任何有机体的功率都要低几个数量级。

这些计算与团队成员早先的理论工作一致，他们在2015年试图估计生命所需的最低能量，前提是即使是深度休眠的细胞也必须修复其基本分子的随机损伤才能存活。他们发现，对于单个电池，这一最低功率徘徊在泽普托瓦，即10−21瓦左右。这大致相当于一天一次举起千分之一粒盐1纳米所需的功率。(作为参考，人体平均使用约100瓦，相当于一盏阅读灯的功率。)。新的模型表明，生活在海底沉积物中的细胞吸收的电力只比这略多一点。

虽然这类测量以前是针对单个海底以下地点进行的，但它们往往在某种程度上是孤立存在的。劳埃德说：“我们在这里和那里做了大量的个体挖掘，但这篇论文实际上把它们放在了一起，放在了一个全球的角度。”

这项研究的估计表明，这个地下生物群几乎没有细胞分裂：下面的一些单个细胞可能有1亿年的历史。这也意味着，在所有这些时间里，这些细胞可能根本没有进化或改变太多。这是一个以停滞为特征的生物圈。“真的，大多数细胞都勉强活着，”麦迪恩说。“对于这个令人难以置信的巨大生物圈，我们关于细胞如何进化的概念被抛诸脑后。”

然而，由于它们的数量和存活的亿万年，这些几乎但不完全死亡的细胞在甲烷的产生、地球上最大的有机碳库的降解以及其他过程中扮演着重要的角色。劳埃德说：“它们是非常低能量的生物，但它们实际上对地球产生了巨大的影响。”

总而言之，“你不需要很大的力量来让生活继续下去，”她补充道。这开启了生命存在于科学家们以前可能没有看到过的领域的可能性--包括那些看起来并不适宜居住的行星。例如，也许细胞已经设法在曾经有海洋的世界上生存下来，方法是等待它们的时间，直到条件改善。

虽然这个模型是全面的，但它仍然不完整：它关注的是可以追溯到大约260万年前的较年轻的地下沉积物。更深的沉积物中的微生物可能会使用更少的能量，而其他海底栖息地的细胞，如地壳的岩石，可能会使用更多的能量。

模型中的假设也值得进一步研究。罗德岛大学(University Of Rhode Island)海洋学家史蒂夫·德洪特(Steve D‘Hondt)没有参与这项研究，他说：“这里有很多细节值得探究。”他说，例如，这项新工作对有氧和无氧代谢的地理分布的一些估计与之前的发现并不完全一致。

但这是意料之中的，D‘Hondt补充说：模型会发现模式，并为进一步的测试做出预测。日本海洋地球科学技术厅(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)的微生物学家由纪·莫罗诺(Yuki Morono)发现，布拉德利和同事的建模工作补充了他自己关于深层沉积物生命的发现-可能有助于填补一些空白。

Morono和D‘Hondt是一个研究小组的领导人，他们在两周前宣布，他们已经复活了困在海底深处1亿年沉睡中的细菌。他们煞费苦心地诱使这些沉积物中的大多数休眠细胞恢复到更明显的活着的生长状态。然而，当他们在之前的一项研究中用更年轻、更富营养的沉积物尝试同样的方法时，他们只能复活一小部分微生物-这是一个违反直觉的结果，因为这些细胞生活在似乎不那么恶劣的环境中。

布拉德利新论文中的模型暗示了一种可能的解释：当1亿年前的沉积物第一次形成时，被捕获的微生物实际上可能拥有更多的能量或动力。根据莫罗诺的说法，也许最初的状况，随后能量水平更直接的下降，不知何故使长期存活的可能性随着细胞被埋得更深而变得更有可能。

他希望，研究人员将继续将更多研究的信息整合到模型中，以获得这些类型的洞察力。但是，建模似乎已经帮助证实了许多科学家怀疑的事情。“生命的边缘是什么？你需要什么才能让它成为生活？“。劳埃德说。“事实证明，不是很多。”