地球深处缺乏光照和营养，可能看起来过于贫瘠，不值得搜寻生命迹象。但地下微生物实际上构成了地球生物圈的巨大组成部分。就估计的总生物量而言，它们仅次于植物。
现在，南达科他州的一个废弃金矿正在让人们对这个埋藏的生物多样性秘密世界进行迄今为止最深入的观察。在《环境微生物学》杂志上发表的新研究中，对来自地下深达 1.5 公里的矿井微生物的基因分析揭示了生存策略的分裂。一些微生物拥有庞大而笨重的基因组，使其能够消化可能遇到的任何营养物质。另一些微生物的基因经过了精简，以至于它们甚至无法制造一些生命的基本组成部分，而是依赖于 scavenging 它们或与其他物种共生。
“发现生存策略中存在如此完全的两分性真是太酷了，”环境和工程公司 Exponent 的顾问兼论文的第一作者莉莉·蒙珀说。蒙珀说，在世界各地其他几个深层微生物观测点也看到了类似的结果。“我们认为这可能是一般深层地下的策略，”她补充道。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
潜伏在地球地表深处的生命可能是其他世界中勉强生存的外星生物的类似物；与我们温和的地球相比，太阳系中每个可能孕育我们所知生命的行星或卫星都提供了远不如地球表面宜居的条件。然而，在这些严酷的外表之下，尽管完全黑暗，生物体仍将免受危险宇宙射线的侵袭，并被地质热量温暖。这样的地下生态位可能是太阳系其他地方（如果不是整个宇宙）任何生命的默认住所——这使得隐藏在我们星球内部的顽强微生物对天体生物学家至关重要。例如，如果现在火星上存在任何生命，那么很可能它就居住在地下，并且看起来和行为方式都与地球深处的居民非常相似。
脚下的微生物对我们家园附近也很重要。威斯康星大学麦迪逊分校的微生物生态学家卡蒂克·阿南塔拉曼说，没有人真正知道碳是如何从大气和水生环境转移到地下的细节，他不是这项新研究的合著者，但他的实验室创建了一种基因组分析工具，该工具已在该研究中使用。“微生物如何影响该循环？碳的转移速率是多少？”阿南塔拉曼说。如果没有这些答案，就无法对碳循环及其对地球气候和宜居性的巨大影响进行细致的理解。
鉴于人类希望通过将二氧化碳注入地下（一种称为碳封存的过程）来缓解气候变化，这些问题变得尤为紧迫。“很多对话的发生并没有意识到微生物实际上生活在地下，并且可能对干扰这些过程感兴趣，”西北大学的新研究的资深作者兼地球生物学家玛格达莱娜·奥斯本说。
深矿微生物观测站，这是一个深钻孔网络，位于南达科他州黑山曾经的 Homestake 金矿中，是地球上为数不多的研究人员可以长期研究这些深层群落的地方之一。“这种深钻孔非常少，”阿南塔拉曼说。
这座矿井于 2002 年关闭，深入地下 2,438 米。自 2007 年以来，它一直是一个名为桑福德地下研究设施的多学科科学实验室，现在主要由物理学家使用，他们正在研究中微子和寻找暗物质粒子。但奥斯本说，那里还有另一种“暗物质”：从未在实验室培养过的微生物。人们只从它们的遗传碎片、DNA 片段和包裹中了解它们，研究人员可以从过滤后的地下水中大量测序并费力地重建。检索这些珍贵样品需要乘坐木制和金属电梯笼深入矿井。
“你的耳朵会砰地一声，起初真的很冷，但当你到达那里时，就会变得非常热，”蒙珀说。“当你到达那个深度时，温度在 90 华氏度以上 [32 摄氏度以上] 范围内。[电梯] 非常摇摇晃晃，第一次乘坐时有点吓人。”
一旦到达深处，研究人员就会利用钻孔进入岩石中充满液体的裂缝，从每个裂缝中过滤几升水，以捕获成千上万个单独的微生物细胞及其基因。在这项新研究中，该团队收集了来自 244、610、1,250 和 1,478 米（800、2,000、4,100 和 4,850 英尺）深度的样本，并将它们与从附近地表小溪采集的样本进行了比较。
然后，研究人员打开微生物细胞，并一口气对它们的遗传物质进行测序。从这种混合物中，该团队使用检测各个序列之间重叠的软件将生成的基因重建为生物体基因组。蒙珀说，这种方法有点像拿起一书架的书，将它们撕碎，然后从碎片中重建它们。
这种方法揭示了以前从未见过的基因组，表明有大量新物种隐藏在前金矿的深处。研究人员还在生物体中发现了大量的多样性。“立即引起我们注意的是，它们正在做很多事情，”奥斯本说。“这些生物的代谢能力很强，因此氮、硫和金属循环在各处都有巨大的潜力。”
阿南塔拉曼说，一些生物是极简主义者，只有少数非常特定的代谢过程的基因。在地下等营养贫乏的地方看到这些并不奇怪，因为维持一个庞大且能量饥渴的基因组存在代谢负担。他说，更令人惊讶的是，发现了第二类极繁主义生物。这些生物具有代谢环境中未发现的化学物质的能力。
奥斯本说，这种过度准备令人惊讶，因为维持如此多的基因以获得如此多的代谢能力是有能量成本的。但这些微生物的“预备者”性质可能在地下是一种优势。“裂缝打开；裂缝闭合；事物矿化，”她说。“这些生物中的许多生物都只是为任何可能出现的能源做好准备。”
前 Homestake 矿的一个优势是研究人员可以一次又一次地返回以重复采样相同的钻孔。全球还有少数其他长期观测点，科学家们在那里对微生物暗物质进行了采样，包括加拿大、瑞典、瑞士和芬兰。阿南塔拉曼说，在这些地点之间进行有效比较具有挑战性，因为它们涵盖了如此广泛的环境条件。这使得很难回答诸如微生物多样性是否以及如何随深度变化等问题。
不过，一个共同的模式是，大多数地点都存在广泛的生命。奥斯本和她的团队现在正在研究不仅对 DNA 而且对 RNA（基因和蛋白质之间的分子中间物）进行测序。奥斯本说，研究微生物 RNA 不仅可以揭示微生物能够做什么，还可以揭示它们在特定时刻正在做什么。目前的另一个项目是分析地下生物膜——微生物的稳定积累，这些微生物受到粘液分泌物的保护，我们通常在厕所和厨房水槽中遇到的是污垢沉积物。奥斯本说，生物膜很难研究，但研究人员很幸运：他们在 2019 年 12 月在矿井钻孔中建立了一个长期过滤系统，并计划在三到六个月后收集它。但 COVID 爆发了，过滤系统闲置了四年，团队才能回去检查。奇迹般地，它完好无损。
“这是我们迄今为止最接近模拟原位生物膜生物圈样貌的一次，”奥斯本说。“[这些生物]产生了大量的生物量，而且它的外观确实与众不同，这让我感到兴奋。”