「殭屍」微生物重新定義了生命的能量極限

2020-08-13 科技領航人

能量驅動地球，它是所有生物成長、發展和運轉所必須的東西。但是細胞需要消耗多少能量呢？海底下的沉積物微生物（可能超過海洋本身發現的微生物細胞）正在提供一些令人驚訝的答案。這種生物不僅挑戰了科學家認為他們了解生命能量需求的知識，而且暗示了定義生命是什麼以及我們將在何處找到生命的新方法。

上周，在《科學進展》雜誌上，研究人員展示了迄今為止最完整的海底之下奇怪的，隱藏的生物圈的照片。海洋鑽探探險隊反覆探測了那些淺色的深度和未被發現的細胞，這些細胞幾乎可以在懸浮的動畫中生存，所消耗的能量比其近鄰的能量少幾個數量級。但是，這項新研究提出的模型表明，這種殭屍狀態可能適用於海洋沉積物中的絕大多數微生物，而且它們通常以接近生命理論最低限度的能耗為生。

倫敦瑪麗大學的地球生物學家，新模型研究的主要作者詹姆斯·布拉德利說：「整個細胞生物圈的遍布了全世界，如果都像我們這樣生物消耗能量，地球沒有足夠的能量讓它們生存。」

為了了解生活在海底沉積物中的微生物，科學家通常必須進行鑽探探險以獲取其樣本。但是這些任務是困難且昂貴的，而且地球表面70％的表面都被海洋覆蓋，「我們很快意識到，我們並沒有獲得繪製海底沉積物真正需要的樣本數量，」 南加州大學暗能量生物圈調查中心主任、論文合著者揚·阿曼德（Jan Amend）說，「因此，我們需要使用現有的數據，並通過建模方法擴展這些數據。」

為此，阿曼德、布拉德利及其團隊的其他成員將海洋劃分成數十萬個部分，並使用數十年來的探險、實驗室實驗和理論模型得出的數據，來推斷每一個較年輕的沉積物的詳細資料。他們估計的值包括沉積物的年齡，其中的細胞密度和分布，這些細胞如何獲得能量以及細胞代謝可用營養素的速率。

根據這些值，研究人員計算了每個區域中細胞的功耗——細胞獲取和使用能量的速率，而不僅僅是能量本身的數量。田納西大學諾克斯維爾分校的微生物學家凱倫·勞埃德（Karen Lloyd）說：「這很重要，因為這是談論生命能量的更準確的方法。時間對生命至關重要。」

生命的極限能耗

他們發現，埋藏在海洋沉積物中的細胞在難以置信的低功率水平上工作。總的來說，這些沉積物中的微生物，在一些地方可能延伸到海底以下幾公裡，總共只消耗了海洋上200米消耗的十分之一的功率。平均而言，每個細胞在沉積物埋藏中存活的功率水平都明顯低於&34;，正如勞埃德所說，其數量級比實驗室環境中測量的任何生物體都低。

該計算與該團隊成員較早的理論工作相一致，該團隊成員在2015年試圖估計生命所需的最低能量，其前提是即使深度休眠的細胞也必須修復對其必需分子的隨機損傷才能生存。他們發現，對於單個細胞，此功率最小值徘徊在10^(-21)瓦左右。這大約是每天一次將千分之一的鹽粒提升至一納米所需的功率。（作為參考，人體平均使用的閱讀燈功率約為100瓦。）新模型表明，生活在海底沉積物中的細胞所消耗的功率僅略多於此。

儘管以前已經針對單個海底站點進行了此類測量，但它們往往在某種程度上孤立地存在。勞埃德說：「我們在這裡和那裡做了很多無聊的事，但實際上，這篇論文將它們放在一起，並放到了全球視野。」

停滯的生物圈

該研究估計的含義是，這個地下生物群落幾乎沒有細胞分裂：那裡的一些個體細胞可能存在1億年的歷史。這也意味著在所有時間內，這些細胞可能根本沒有進化或改變太多。這是一個以停滯為特徵的生物圈。「確實，大多數細胞幾乎沒有堅持下來，」阿曼德說，「我們關於細胞如何進化的概念，超出了這個難以置信的大型生物圈的視野。」

然而，由於它們的數量和存活的年代，這些殭屍細胞在甲烷的產生、地球上最大的有機碳池的降解以及其他過程中起著重要作用。勞埃德說：「它們是如此低能耗，但實際上它們對地球產生了巨大的影響。」

總而言之，「生命並不需要太多的能量，」她補充說。這就開闢了生命存在於科學家可能從未見過的領域中的可能性，包括在惡劣環境的行星上。舉例來說，也許細胞可以通過努力爭取生存直到環境好轉而在曾經有海洋的世界中生存。

儘管此模型是全面的，但仍不完善：它著眼於可追溯到260萬年前的較年輕的地下沉積物。深層沉積物中的微生物可能消耗的能量更少，而其他海底生境中的細胞（例如地殼的巖石）可能消耗的能量更多。

該模型中的假設也值得進一步審查。羅德島大學（University of Rhode Island）的海洋學家史蒂夫·德·洪特（Steve D』Hondt）表示：「這裡有很多細節值得我們深思。」他說，例如，一些新工作對有氧和無氧代謝地理分布的估計並不完全符合先前的發現。

但這是意料之中的，德·洪特補充說：模型可以發現模式並為進一步的測試做出預測。日本海洋地球科學技術局的微生物學家Yuki Morono發現，布拉德利及其同事的建模工作補充了他對深層沉積物生命的發現——可能有助於填補一些空白。

生存邊緣

Morono和德·洪特是一個研究小組的負責人，他們在兩周前宣布，他們已經恢復了被困在海底下長達一億年的沉睡中的細菌。他們辛苦地誘使這些沉積物中的大多數休眠細胞恢復到更加可識別的存活狀態。但是，當他們在以前的研究中嘗試使用更年輕、營養更豐富的沉積物嘗試相同的實驗時，他們只能使一小部分微生物復活——這是違反直覺的結果，因為這些細胞生活在看起來不太苛刻的環境中。

布拉德利（Bradley）的新論文中的模型暗示了一個可能的解釋：當1億年前的沉積物首次形成時，被困微生物實際上可能具有更多的能量或能力。根據Morono的說法，也許是這種初始狀態，隨後能量水平立即下降，隨著細胞被更深地埋藏，某種程度上使長期生存變得更可能。

他希望研究人員將繼續將更多研究的信息整合到模型中，以獲取這些見解。但是，建模似乎已經幫助確認了許多科學家懷疑的東西。「生命的邊緣是什麼？要成為生命，您需要什麼？」 勞埃德說，「結果不是很多。」

相關焦點

  • 海底微生物重新定義了生命的能量極限，打破了科學家對生命的認知
    但是到底需要多少的能量來維持生命的運轉呢？海底下棲息在沉積物中的微生物正在展現一些令人驚訝的答案。這些生物不僅挑戰了科學家們對生命能量需求的認識，而且還為定義生命以及我們可能在哪裡找到生命提供了新的方法。在8月的《科學進展》雜誌上，研究人員展示了海底下神秘的生物圈迄今為止最完整的畫面。
  • 海底之下存在大量微生物，僅需極少能量就能活著
    研究小組稱，該研究對理解地球生命極限條件以及推測太陽系其他星球是否存在生命具有重要意義。　　研究人員將地球生物圈中碳和微生物數量分布數據與化學反應結合起來，利用這些信息，他們能夠確定單個微生物細胞的「能量消耗」，換句話講，這就是它們利用能量的速度。
  • 海底之下存在大量微生物,僅需極少能量就能活著!
    研究小組稱，該研究對理解地球生命極限條件以及推測太陽系其他星球是否存在生命具有重要意義。研究人員將地球生物圈中碳和微生物數量分布數據與化學反應結合起來，利用這些信息，他們能夠確定單個微生物細胞的「能量消耗」，換句話講，這就是它們利用能量的速度。
  • 新研究成果將重新定義和解釋人體腸道微生物的起源問題
    記者11月30日從內蒙古農業大學獲悉，該校張和平教授團隊承擔的「母嬰間菌群的傳遞機制及關聯性研究」項目通過專家驗收，其研究成果破解了母嬰間菌群傳遞機制，或將重新定義和解釋人體腸道微生物的起源問題。研究團隊採用三代測序與微滴式數字PCR(聚合酶鏈式反應)相結合的技術，以41對母嬰志願者胎糞、母親糞便、羊水、產道液體、母乳和母親唾液樣品為研究對象，對母嬰的菌群結構進行了研究。
  • 重新定義生命?理論物理學家如何幫助發現外星生命
    在美國科學家們傾向於尋找與地球上的生命有某種相似之處的生命跡象。但是，遵循這種對生命的狹隘定義可能是我們還沒有找到外星人的原因。我們真的是獨自在宇宙中，還是我們根本不知道我們在尋找什麼？一些研究人員說，如果科學家們能找到一個不那麼「以地球為中心」的生命定義，那麼找到外星人可能會有更好的運氣。換句話說，科學家需要擴大搜索範圍，以解釋外星生命可能與地球上的生命沒有任何共同之處的可能性。
  • 大洋鑽探:到地球深處探尋生命極限—新聞—科學網
    本航次大洋鑽探的一個重要科學目標，就是通過研究巖芯中的微生物，探尋下地殼和含水的地幔中是否存在生命，生命的極限形式是什麼。 作為一個有生命的星球，地球上的巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈，通過物質、能量和生命的流轉交換，緊密地聯繫在一起。但人類對地球內部的生物過程還缺乏認知。 「深部生物圈」的發現，是大洋科學鑽探取得的最重要成果之一。
  • 質量單位——千克的重新定義
    作為唯一實物基準的國際千克原器的穩定性受到科學家們的質疑，科學家們開始致力於質量單位的重新定義。有科學家提出，可以使用自然界中的基本物理常數來重新定義質量單位。因為這些物理常數的定義不會改變，用它們來定義包括千克在內的基本單位，就再也不用擔心隨時間推移會影響單位的量值了。
  • 考研數學-極限的定義
    第一章 極限&連續極限在考研數學中佔有很大的比重，考試一般會以一道小題和一道大題出現。本文主要分享第一節，極限的定義。極限定義的準確理解能夠為高等數學的學習打下良好的基礎。同時，極限的定義常常被作為壓軸題，或者是難度較大的證明題，故大家務必將定義理解透徹。函數極限的定義，本部分採用的是張宇老師的講義。以表格的的形式列出了函數極限的所有定義式，如下。
  • 「死亡」將重新定義,豬腦被「復活」,行屍走肉會變成現實嗎?
    1818年，小說創作人瑪麗·雪萊為了小說的真實感，研究了一些現實存在的復活實驗，主要靈感來自於：電可以使生命重新開始。在19世紀，物理學家喬瓦尼·阿爾迪尼通過強大的電擊，刺激人類和動物屍體來「復活」。他把一塊電池掛在人或動物部分組織上，讓屍體像人一樣抽搐。看到這裡，大家也都明白了，阿爾迪尼的「復活」名不副實。
  • 深海海床是生命禁區？
    究竟多深的海床才能達到微生物不能承受的高溫？這個問題一直是日本海洋地球科學技術局（JAMSTEC）和德國不萊梅大學海洋環境科學中心（MARUM）的合作探索重點。國際海洋探索項目（IODP）的一次考察提供了有關海底生命溫度承受極限的新見解，這個發現近期發表在《科學》雜誌上。深海海床沉積物往往難以棲息。
  • 為啥重新定義基本單位
    原標題：為啥重新定義基本單位 研究人員正在調試能量天平試驗裝置「秒」「米」「千克」「安培」「開爾文」「摩爾」「坎德拉」將全部以常數定義，全新的測量體系正式啟用。基本單位不再與實物關聯，計量精準度的躍遷更將開啟無限可能，帶來新的認知和機遇、催生新的技術和產業。 5月20日，全球將採用新的國際單位制，「千克」「秒」「米」等7個基本單位全部從實物原器改為常數定義，這是國際單位制自1963年創立以來最重大的變革。
  • 生命的定義是什麼?難道只有像地球一樣的人、動物和植物才叫生命
    大量關於外星人的報導、科幻小說和電影的充斥，使得外星生命的傳聞變得有聲有色。生命的定義是什麼？就未來的發展可能而言，人工製造或者促成的機器複雜到一定程度，具備了某種符合生命內涵的基本屬性的現象也將可能納入生命的範疇，包括人機混合體，純自由意志人工智慧機器人等。生物學上認為生命是蛋白質存在的一種形式。目前並沒有統一的、廣泛認可的生命定義。
  • 生命是什麼?聖塔菲研究所提出「個體信息理論」,重新定義個體生命
    但在對生命本質探索中，科學上個體的概念一直模糊不清，既沒有通用定義，也沒有明確劃分標準。最近聖塔菲研究所現任所長 David Krakauer 發表了一篇文章，基於過程哲學和演化格式塔方法，他認為個體是一種能將自身信息從過去傳播到未來、並保持一定時間完整性度量的集合體，並用資訊理論給出了概念的形式化定義。
  • 科學家們發現地殼深處微生物生命
    而如今的地球可以說又有了新發現了，那就是科學家們在海床下的地殼深處發現了「微生物生命」，這可能又突破了對生命認識的極限 科學家們在提取冷卻的巖漿中，研究人員發現了稀疏但種類繁多的「微生物」，它們設法在這種惡劣的黑暗中依舊存在，所以證明了生物的一個生存能力非常的強大，這些生物包括Chroococcidiopsis，假單胞菌的細菌等，它們可以以「代謝能量」的方式進行發展群體。
  • 基於量子物理,「千克」概念被重新定義 - 常量,方程,能量,普朗克...
    而新的「千克」定義將永久性解決這個棘手的問題。甚至，理論上，以後如果發現了外星人，人類還可以將我們對於「千克」的定義直接發送給外星人都可以，因為新定義下的「千克」已經成為一個真正的常量，可以被到處傳播，而不再需要把一個金屬塊裝在包裡背著了。不過，這樣費盡心機真的值得嗎？畢竟，新的千克定義和舊的定義其實描述的對象是一樣的，就是一千克的概念。
  • 人工智慧讓未來的生命重新定義，去找有趣的靈魂
    對生物未來的定義有了新的認識。40萬年前，就有了生物的生命。從10萬年前開始，也就是人類誕生以來的這個階段，人類重新設計自己的軟體，比如學習語言、技能等複雜的能力，也在不斷重塑著自己的世界觀和目標。在人工智慧重塑的科技階段，生命不僅能極大地重新設計自己的軟體，還能重新設計自己的硬體，實際上人類進化的過程一直沒有停止過。
  • 科學家成功復活死亡豬腦,將重新定義「死亡」
    過去，我們普遍認為：腦死亡，就是生命的終結。但是，這句看似正確的話，或許要被改寫。耶魯大學神經科學家內納德·塞斯坦團隊研究的BrainEx的系統，成功復活了從屠宰場回收的死豬的大腦，並將其重新「復活」長達36小時。豬：先別將我下火鍋，我還能搶救一下。這項研究，登上世界頂級學術期刊《自然》雜誌，成為最新一期封面論文。
  • 【知識點精講】極限的定義
    1.極限的定義與性質  2.函數極限的計算  3.數列極限的計算  4.極限的應用
  • ——「千克」被重新定義
    但如今，「千克」這一單位要被重新定義了。為什麼要重新定義「千克」？未來，千克將以符號為h的普朗克常數定義，質量基本單位將會更加穩定，量值傳遞更加可靠。不用再擔心國際千克原器「大K」的質量發生變化，更不必擔心它如果丟失、損壞，可能給全球質量量值統一帶來災難。未來，新的計量單位的復現將不再依賴「大K」。在新定義下，它取決於實驗方法。就我國來說，目前中國計量科學研究院已獨立建立了基於新定義的千克復現裝置，預計將於2019年獲得等效的千克定義量值。
  • 「微積分」如何理解極限定義?四道題輕鬆掌握極限定義理解與應用
    所以不是像其他書上那樣講定義等知識點。本期主要內容：正確理解極限定義；利用極限定義證明某數為一函數或一數列的極限；1.正確理解極限定義；例1，2.利用極限定義證明某數為一函數或一數列的極限；例2.例3.3.證明極限的性質。