微生物中的“特種部隊”?|?院士科普

您是否曾經想過一杯水里究竟有多少水分子？您是否思考過我們身邊還生存著許多看不見的生命？地球上的微生物，小得讓您難以想象，卻數量眾多。不僅如此，它們還有一個龐大的家族，既有介于化學分子與細胞生命之間的病毒，也有介于真菌與動物之間的黏菌，更有介于植物與動物之間的綠眼蟲等。如此看來，微生物就是一個矛盾的統一體，既渺小又龐大，既平庸又神奇。今日，我們帶您認識微生物大家族中的“特種部隊”——嗜極微生物。

生命自從在地球上起源，就不斷地拓展其生態領地。有些微生物特別能折騰，它們不滿足于地表正常環境下索然無味的生活，嗜好徜徉在一些極端環境里。除了人們司空見慣的地球表層生物圈，微生物還向深部開疆擴土，私自建立了一支神秘的“特種部隊”——深部生物圈。深部生物圈是指分布在陸地表面以下、深部海洋或者海底沉積物以下，不依賴陽光為能量來源的生物圈。深部生物圈也被稱為黑暗生物圈，主要由嗜極微生物組成 。顧名思義，“嗜極”就是嗜好極端物理化學條件。這些微生物適應力極強，可以挑戰各種極限條件，堪稱微生物界的“特種部隊”。一般的微生物想在那里活下去還不是那么容易呢！目前，人們在地下3000～4000 米處分離出了一些新的極端微生物。當然，這個深度紀錄會不斷地被刷新。

其實，這支“特種部隊”生活的深部環境，就是一個黑暗、缺水、低氧、寡營養的“地下煉獄”，微生物能在那里存活，堪稱生命的奇跡。這微生物顯然身懷獨門絕技，個個武藝高強，它們因擁有特殊功能的酶，能應對各種有害的極端條件。在地下深部巖石中，能夠維系微生物生活的有機質極少，能量來源也極其匱乏，微生物如同武俠小說中的辟谷居士，“靜心養神”，緩慢地消耗食物。那么，它們的代謝能力到底有多強？研究發現，這些微生物的代謝速率要比表層系統的微生物緩慢得多。例如，大陸深部地下微生物要比大陸地表微生物的碳代謝速率低4 個數量級（J?rgensen，2011）。微生物為了適應極端環境而表現出如此緩慢的代謝能力，是否讓那些努力瘦身的人大為驚嘆呢？

如果說微生物“特種部隊”如此緩慢的代謝能力還不能讓您驚嘆的話，那么它們作為地球的“長壽之王”也許可以讓您驚奇吧，用“壽比南山”來形容它們，一點也不為過。這些嗜極微生物到底有多長壽？人們已經從年齡高達100 萬～1 億年的深部地下水或冰層中分離出了一些新發現的極端微生物，這意味著它們至少已經活了100 萬年。特別地，微生物為了適應極端環境條件可以說是“拼了老命”，往往只以芽孢的形式存在，細菌芽孢可以說是目前地球上已知的最強壯的細胞。人們已經從海底2200 萬年的沉積物乃至2.5 億年的巖鹽晶體中提取到活性芽孢（Lomstein et al.，2012）。這意味著微生物可以以芽孢的形式存活數億年。大自然到處都是謎，小小的微生物更是如此。

您也許會問：這支“特種部隊”到底有多大規模，深部生物圈到底有多大生物量？目前，對深部生物圈生物量的估算偏差很大，總體認為一般占地球生物總有機碳量的2%～19%（McMahon and Parnell，2014）。作為一支“特種部隊”，深部生物圈生物量能達到這樣的規模已經很可觀了。隨著從表層往下深度的不斷加大，總體生物量呈現出對數形式降低的趨勢。例如，在海底表層1 米的沉積物中，微生物細胞的豐度為109 個細胞/厘米3；而在深度500 米的沉積物中，微生物細胞的豐度則降低到106 個細胞/ 厘米3（Parkes et al.，2000）。

微生物在地球深部訓練出來的這支神秘“特種部隊”，對人類而言非常重要。在深部環境，一些物理化學條件往往都比較極端，因而深部生物圈代表著地球早期極端環境下的生命特征。研究深部生物圈不僅有助于人們了解地球早期的生命起源，也能為在火星等外星天體上尋找生命提供線索。研究深部生物圈還對研究油氣及礦產資源、元素地球化學循環與氣候變化、地下水資源、地下空間利用、核廢料和二氧化碳的地下儲存等都具有重要意義。例如，核廢料儲存在地下，地下微生物會蝕變儲存這些廢料的容器，從而導致核廢料擴散，有些微生物則可以分解這些核廢料，因而人們需要查明微生物對這些核廢料的正面和負面效應。

特別是，深部生物圈的微生物為了適應極端的物理化學條件，產生了一些具有特殊功能的酶，分離出這些酶就可以應用于各類工農業生產中。深海中存在嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓、嗜鹽等微生物，通過分離可以獲得一系列深海微生物酶，包括蛋白酶、酯酶、鹵化酶、過氧化物酶、纖維素酶、瓊膠酶、DNA 聚合酶等，它們在農業、食品、醫藥、環保、冶金、能源等領域都有著重要的應用前景。如此看來，這支“特種部隊”根本不存在“鷹老爪鈍”的現象，深部生物圈雖然遠離了人類生活的地球表層系統，卻對人類社會非常重要。人類不斷地向深部地下拓展空間，我國也已經提出了發展深地科技的國家戰略，這對揭開深部生物圈這支神秘的“特種部隊”具有非常重要的意義。

本文摘編自《演化: 微生物如何塑造地球》（謝樹成等著. 北京 : 科學出版社,2026. 3）一書“第一章 微生物創世”，標題為編者所加。

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（科學與未來 : 院士科普叢書）

ISBN 978-7-03-084146-9

責任編輯：張 莉 姚培培

我們每天都在和微生物打交道，但人類究竟對微生物了解多少？微生物到底是人類的朋友還是敵人？不同的人有著不同的答案。盡管如此，有一點可以肯定，那便是微觀尺度的微生物能夠產生宏觀尺度的效應，在龐大的地球生態系統、復雜的人體系統中都發揮著至關重要的作用。

本書聚焦微生物與地球系統的復雜關系，從創世、問天、戲水、弄石四個方面介紹微生物對地球生物圈、大氣圈、水圈和巖石圈的影響，并從尋蹤角度闡述科學家如何研究數億年、數十億年前出現在地球上的微生物。本書集科學性、知識性和趣味性于一體，生動地闡釋了各種各樣的微生物的特性，特別是它們那些鮮為人知、令人驚嘆的本領。本書有助于社會大眾了解小小的微生物如何塑造我們宜居的大地球，有益于青少年培養科學興趣、開闊思維視野，強化保護微生物多樣性、守護地球家園的責任意識。

本書適合科研工作者、大中學生以及其他對地球科學、生命科學感興趣的讀者閱讀。

（本文編輯：劉四旦）

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