科学家在智利阿塔卡马沙漠发现前所未见的微生物地下栖息地

科学家利用新的 DNA 分析技术在智利阿塔卡马沙漠深处发现了多种微生物生命，为极端环境中的生物多样性提供了见解，并对地外生命研究产生了潜在影响。永盖-普拉亚，智利阿塔卡马沙漠最干旱的地区之一。资料来源：D. Wagner, GFZ

这是以新开发的分子 DNA 分析方法为基础的，这种方法可以集中提取和分析细胞内 DNA。这些DNA来自活生物体或休眠生物体的完整细胞，因此可以检测到栖息在深达4.20米的极干旱土壤中的有生命力和潜在活性的微生物群落。这项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS Nexus）上的研究，扩大了我们对干旱、盐碱和营养缺乏等极端条件下接近生命极限的地区生物多样性的了解。研究结果还对寻找其他星球上的生命有一定意义。

沙漠是地球上最大、最脆弱的生态系统之一。虽然那里的条件最恶劣、最危及生命，但却孕育着微生物生命。在没有定期降雨的情况下，微生物利用矿物质和盐分等土壤成分以及大气中的气体作为能量和水分来源，成为调解养分流动的最重要生态成分。

"微生物多样性和分布的研究对于充分了解微生物过程在维持沙漠生态系统生态平衡和功能性方面的核心作用至关重要，尤其是在气候变化背景下沙漠生态系统的未来发展方面。"

永盖-普拉亚研究遗址：挖掘出的剖面坑和安托法加斯塔大学的实验室手推车。图片来源：L. Horstmann, GFZ

智利北部 105000 平方公里的阿塔卡马沙漠被认为是世界上最干旱的炎热沙漠。因此，这里非常适合研究这种栖息地。研究人员已经对水深约一米的浅水区进行了调查。在这里，他们了解到这是一个可以抵御紫外线辐射的利基栖息地，而且这里仍有水源，微生物可以在此繁衍生息。

另一方面，迄今为止只有少数研究对沙漠土壤的深层进行了分析。因此，GFZ 地球微生物学组的博士生卢卡斯-霍斯曼（Lucas Horstmann）和博士后研究员丹尼尔-利普斯（Daniel Lipus），以及该组负责人、波茨坦大学地球微生物学和地球生物学教授德克-瓦格纳（Dirk Wagner）领导的研究小组重点研究这些土壤。其他同事来自柏林工业大学和智利安托法加斯塔大学。研究人员希望测试极度干旱的阿塔卡马沙漠深层沉积物是否也能成为特殊微生物的栖息地。

研究小组在安托法加斯塔东南约 60 公里处的永盖地区对土壤剖面进行了研究，分析了沿深度剖面的微生物多样性及其与土壤特性的相互作用，该深度剖面既包括台地沉积物，也包括下面的冲积扇沉积物，最深处达 4.2 米。为此，他们挖掘了一个土壤剖面，每隔 10 厘米采集一个土壤样本，深度达 3 米，然后每隔 30 厘米采集一个样本，这些样本被送往德国联邦科学研究中心的实验室进行分析。

为了检测样本中的生命痕迹，科学家们使用了德克-瓦格纳（Dirk Wagner）等人在德国科学研究基金会（GFZ）开发的分子 DNA 分析新技术：使用一种特殊的提取方法，可以从样本中只过滤出细胞内 DNA，即来自完整和潜在活性细胞的 DNA。为此需要使用各种化学试剂、离心机和过滤器。

瓦格纳强调说："这种方法对极端环境中微生物多样性的研究是一个重大改进，因为它有效地排除了死细胞 DNA 产生的偏差，即使由于生物量较低而达到其他方法的检测极限时，仍能提供有效数据。"

通过对样本进行细胞内 DNA 提取和随后的基因测序，研究人员能够鉴定出深度达 4.2 米的潜在微生物。在上层 80 厘米处，他们主要发现了属于固着菌门的微生物，但它们的数量随着深度的增加而减少，可溶性盐的含量也随之增加。研究人员猜测，高浓度盐分和日益缺水也可能是导致微生物在沙丘沉积物下部停止定殖的原因。在这方面，他们的研究结果与之前的研究结果是一致的。

然而，霍斯特曼和瓦格纳的研究小组再次在两米以下的冲积扇沉积层中发现了一个微生物群落。该群落比地表群落更加多样化，很可能与地表完全隔离。它主要由属于放线菌门的细菌组成，放线菌门是一个具有特殊成员的群体，通常存在于干燥或原始的土壤中。

古剖面上部。资料来源：D. Wagner, GFZ

这些微生物的存在可能与水泡石膏的存在有关，水泡石膏可溶解成无水石膏，从而提供另一种水源。本研究中观察到的生物属于可利用氢气等痕量气体作为能量来源，利用二氧化碳作为碳源进行生长的物种。

第一作者卢卡斯-霍尔曼（Lucas Hormann）说："这种类型的新陈代谢被称为化学溶解自养，其他研究表明，它对有机物作为碳源极其有限的极干旱土壤非常重要。因此，对于本研究中调查的孤立的地下壁龛来说，它也可能是必不可少的。"

总结与展望：令人惊叹的沙漠生物多样性及其对地外生命的影响

霍斯特曼总结道："这个地下群落在两米深以下的冲积扇沉积物中茁壮成长，显示出惊人的多样性和生态稳定性，它的发现挑战了我们目前对沙漠生态系统的认识。"

作者认为，该群落可能早在 1.9 万年前就已在土壤中定植，当时土壤还未被洼地沉积物掩埋，他们还假设该群落可能会继续向下延伸一段未知的距离，这代表了超干旱沙漠土壤中以前未知的深层生物圈。

合著者德克-瓦格纳（Dirk Wagner）说："鉴于旱地在地球上的广泛分布，在以前未开发的地下土壤中存在潜在的碳结合群落，不仅对沙漠中的生物多样性，而且对全球范围的元素循环都有深远影响。这表明这些生境的重要性至今仍被低估。这也强调了地表下栖息地对于未来全面了解沙漠生态系统的重要性"。

研究人员强调，这项研究的结果不仅对我们的地球有影响，而且也与正在进行的关于在其他行星上寻找生命的讨论有关："火星上存在类似于冲积扇沉积物中的石膏沉积物，这对天体生物学具有重大意义。这些地表下群落与阿塔卡马的石膏基质的联系可能会提供进一步的证据，证明火星上的石膏沉积不仅表明过去可能存在液态水，而且还可能成为目前微生物生命的宜居环境。"

编译来源：ScitechDaily