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

能量驅動地球上的生物，它是所有生物生長、發展和發揮作用的根本。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。海洋鑽探探險隊已經多次探測到那些沒有光線的深處，發現了幾乎處於假死狀態的細胞，它們消耗的能量比海面上的細胞要少幾個數量級。但提取出的模型表明，這種類似殭屍的狀態可能適用於海洋沉積物中的絕大多數微生物，它們通常依靠接近理論生命所需的最低能量生存。

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，以獲取它們的樣本。但這些任務是困難並且昂貴的，70%的地球表面被海洋覆蓋。「我們很快意識到，我們無法得到繪製海洋沉積物地圖所需的樣品數量，」南加州大學暗能量生物圈調查中心主任、這篇論文的合著者阿蒙德說。「所以我們需要使用現有的數據，並用建模方法擴展這些數據。」

為了達到這個目的，阿蒙德、布蘭德利和他們的團隊將海洋劃分為幾十萬個區域，並利用幾十年的探險、實驗室實驗和理論模型的數據來推斷每一個區域中較年輕沉積物的詳細輪廓。他們估算的值包括沉積物的年齡、沉積物中細胞的密度和分布、這些細胞如何獲得能量，以及細胞代謝的速率。

根據這些數值，研究人員計算出了每個區域的能量消耗（獲取和使用能量的速度，而不僅僅是能量本身的數量）。「這很重要，因為這是一種更準確地討論生命能量的方式，」田納西大學諾克斯維爾分校微生物學家凱倫·勞埃德說。「時間對生命來說真的很重要。」

一澤普託瓦生命

他們發現，埋在海洋沉積物中的細胞在極低的能量水平下生存。總的來說，這些沉積物中的微生物，在某些地方可能延伸到海底以下幾公裡的地方，總共使用的能量僅是海洋上層200米細胞所消耗能量的十分之一，而且比任何在實驗室環境中測量到的生物體的能量水平低了一個數量級。

該計算結果與團隊成員早前的理論工作一致。2015年，團隊成員試圖估算生命所需的最低能量，其前提是，即使處於深度休眠狀態的細胞也必須修復其必需分子的隨機損傷，才能存活。他們發現，對於單個細胞來說，這個功率的最小值約為一澤普託瓦（zeptowatt），即10^（-21）瓦。這大概是每天將千分之一粒鹽提升一納米所需的能量。新的模型表明，生活在海底沉積物中的細胞所吸收的能量僅略高於這個水平：10^（-21）瓦。

一個停滯的生物圈

這項研究表明，這個地下生物群落幾乎沒有細胞分裂，下面的一些單個細胞可能已經有1億年的歷史了。這也意味著，在這段時間裡，這些細胞可能根本沒有進化或變化。這是一個停滯的生物圈。「對於這個難以置信的大生物圈，我們關於細胞如何進化的概念已經過時了。」阿蒙德說。

然而，由於它們的數量和它們存活的時間，這些幾乎死亡但還沒有完全死亡的細胞在甲烷的產生、地球上最大的有機碳庫的降解以及其他過程中扮演著重要的角色。「他們是非常低權的生物，但他們實際上對地球有著巨大的影響，」勞埃德說。

總而言之，他們不需要太多的能量來維持生命。這開啟了一種可能性，即生命存在於科學家以前沒有發現過的領域，包括似乎並不適宜居住的行星上。例如，在曾經有海洋的星球上，細胞可能是通過等待時機直到環境改善而得以生存的。

雖然這個模型是全面的，但它仍然不完整，它關注的是距今約260萬年前的較年輕的地下沉積物。在較深沉積物中的微生物可能會使用更少的能量，而在其他海底棲息地的細胞，比如地殼的巖石，可能會使用更多的能量。

模型中的假設也值得進一步研究。「這裡有很多細節值得探究，」羅德島大學海洋學家史蒂夫·德洪特說。例如，這項新研究對有氧代謝和無氧代謝的地理分布的估計與之前的發現並不完全一致。

生命的邊緣

諸野和德洪特是一個研究小組的領導，他們在兩周前宣布，他們已經使沉睡在海底深處長達1億年的細菌復活。他們煞費苦心地誘導那些沉積物中休眠的細胞恢復到一種更容易被識別為有生命特徵的狀態。然而，當他們在之前的一項研究中對更年輕、更富營養的沉積物做同樣的嘗試時，他們只能復活一小部分微生物，這是一個違反直覺的結果，因為這些細胞生活在一個看起來不那麼惡劣的環境中。

布拉德利的新論文中的模型暗示了一種可能的解釋：當一億年前的沉積物最初形成時，被捕獲的微生物可能實際上擁有更多的能量。根據諸野的說法，也許是這種初始狀態，然後是能量水平的更直接下降，隨著細胞被更深地埋藏，某種程度上使長期生存變得更有可能。

他希望研究人員能夠繼續將更多研究的信息整合到模型中。但是，建模似乎已經幫助證實了許多科學家的懷疑。生命的邊緣是什麼？要成為生命，需要什麼？