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          國際頂尖學術期刊《自然》又發表同濟論文

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            海底堅硬的巖石圈內是否有微生物存在?它們依靠什麼方式維持生命?3月12日0時,國際頂尖學術雜志《Nature》在線發表瞭同濟大學海洋與地球科學學院李江濤副教授與美國伍茲霍爾海洋研究所合作完成的最新研究成果“Recycling and metabolic flexibility dictate life in the lower oceanic crust”(《有機質的循環利用和新陳代謝的靈活性決定著下洋殼中的生命》。該研究顯示,海洋下洋殼巖石中的確存在微生物,它們在依賴自養方式生存的同時,更大程度上依靠攝取現成有機物的異養方式生存,研究由此揭示瞭海洋下洋殼巖石中存在的深部生命圈及其生存策略。

            這是繼醫學院、附屬上海市肺科醫院戈寶學教授團隊1月16日發表關於肺結核研究的成果後,同濟學者今年第二次在國際頂尖期刊《自然》發表論文。

            過去近20年間,地球深部生命研究取得的重要進展之一便是發現瞭海底洋殼生物圈。由於洋殼在全球海底分佈廣泛,體積龐大,是全球海洋沉積物總體積的5倍左右,棲息於此的微生物規模不可忽視,它們對全球生物地球化學元素循環和海底地貌風化都具有重要的潛在影響。然而,受采樣技術和條件的限制,對洋殼巖石生物圈的研究和認識還十分有限。目前,有限的研究幾乎全部集中於洋殼表層的玄武巖中,而對占洋殼體積近三分之二的下洋殼,盡管認為其也是深部微生物的可棲息環境之一,目前還缺少直接的證據,對棲息於此的微生物及其對極端環境的應對策略也幾乎一無所知,相關研究還是空白。

            2015年11月30日至2016年1月30日開展的國際大洋發現計劃(IODP) 360航次為科學傢們研究下洋殼深部生物圈提供瞭良好的契機。位於西南印度洋洋中脊Atlantis II轉換斷層的Atlantis Bank,早期的構造運動將上洋殼剝蝕,導致下洋殼的巖石直接出露於海底,從而成為洞察洋殼深部生物的天然窗口。IODP 360航次在該地區進行瞭鉆探取芯,獲得瞭自海底以下809米范圍內的下洋殼輝長巖。

            研究自鉆井取樣伊始至後續室內分析均采取瞭嚴格的防污染措施,在近800 米的深度剖面上,自上而下選取瞭11個巖石樣品用於分析測試。從細胞染色計數的結果來看,下洋殼輝長巖中的生物量極低,遠低於正常海洋沉積物及上洋殼表層玄武巖中的生物量。同時,一系列證據表明巖石中這些微生物的細胞是完整、且能夠進一步生長發育,證據包括:對巖石進行長期的富集培養,檢測到瞭甲烷濃度的增加,表明產甲烷過程的發生;從大部分巖石中檢測到瞭一定的ATP濃度,證明瞭活躍微生物的存在;部分樣品中檢測到瞭堿性磷酸酶的活性等。

            通常認為下洋殼巖石的環境條件惡劣,營養物質匱乏,棲息於此的微生物所面臨的一個巨大挑戰便是如何獲取足夠的碳源和能量來滿足基本的能量需求以支持其生長。該研究的一大亮點在於成功提取瞭超低生物量巖石樣品中微生物的mRNA宏轉錄組,從基因表達水平解析瞭微生物在下洋殼巖石極端環境中的生存策略。研究結果證實瞭包括H2氧化、CH4氧化、硫/氮循環等海洋極端環境常見的化能自養途徑的存在。然而,出乎意料的是,研究中得到較為豐富的涉及異養過程的基因,其表達似乎要遠高於自養過程,表明更多的微生物通過使用可發酵的有機大分子來適應下洋殼環境“慢車道”生活。“這些代謝途徑反映瞭深部生物圈對有限和零星可用資源的競爭與適應。”李江濤說。

            海洋學專傢表示,該項研究結果證實瞭下洋殼深部生物圈的存在,拓展瞭生物圈在地球圈層內部分佈的下限。鑒於下洋殼在全球海底的廣泛分佈以及其具有的巨大體積,棲息於此的微生物群落即使具有極低的生物量和較緩慢的生長速率,但它們仍然可能對全球物質循環產生重要的影響。

            同濟大學海洋與地球科學學院李江濤副教授和美國伍茲霍爾海洋研究所P. Mara博士為該論文的共同第一作者,美國伍茲霍爾海洋研究所V. P. Edgcomb博士為論文的通訊作者。該研究工作為國際合作的成果,研究成員來自於國際知名的海洋研究機構,除同濟大學、美國伍茲霍爾海洋研究所外,還包括斯克利普斯海洋研究所、德州農工大學、德國不來梅大學、法國佈雷斯特大學等。該研究分別獲得國傢自然科學基金、科技部973計劃、中國IODP以及美國國傢科學基金會等資助。

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