史丹福大學科學家領導的新研究預測，生命可以在極鹹的環境中存活，這超出了以前認為可能的極限。這項研究於12月22日發表在【科學進展】（Science Advances）雜誌上，研究基於對南加州海岸工業池塘鹽水中數千個單細胞代謝活動的分析。
研究結果拓展了我們對整個太陽系潛在宜居空間的認識，以及對地球上一些水生棲息地因幹旱和引水而變得更鹹可能造成的後果的認識。
研究報告的資深作者、史丹福大學多爾可持續發展學院地球系統科學助理教授安妮-德卡斯（Anne Dekas）說："我們不可能到處尋找，所以我們必須真正慎重考慮在哪裏以及如何在其他行星上尋找生命。盡可能多地了解地球上極端環境中生命生存的地點和方式，可以讓我們優先考慮在其他地方執行生命探測任務的目標，增加我們成功的機會。"
海洋研究團隊在 2019 年的首次實地考察中從南灣鹽廠采集鹽水。資料來源：Anne Dekas
長期以來，對探測地球以外生命感興趣的科學家一直在研究含鹽環境，因為他們知道液態水是生命的必要條件，而鹽可以讓水在更大的溫度範圍內保持液態。鹽還可以保存生命跡象，比如鹽水中的泡菜。研究的主要作者、地球系統科學博士生艾米麗-帕裏斯（Emily Paris）是德卡斯實驗室的一員，她說："我們認為，有鹽的地方是發現過去或現在生命跡象的好地方。鹽可能是使另一顆行星適合居住的東西，盡管在地球上高濃度的鹽也是生命的抑制劑。"
這項新研究是康奈爾大學教授布蘭妮-施密特（Britney Schmidt）領導的一項名為"跨越時空的海洋"（Oceans Across Space and Time）的大型合作專案的一部份，由美國太空總署（NASA）的天體生物學專案（Astrobiology Program）資助，該專案匯集了微生物學家、地球化學家和行星科學家。他們的目標是：了解海洋世界和生命如何共同前進演化，從而在過去或現在產生可探測到的生命跡象。了解海洋世界適宜居住的條件，開發更好的方法來探測生物活動的訊號，是預測太陽系其他地方可能存在生命的步驟。
鹽度變化對地球的影響
我們應該考慮鹽度變化對地球生態系的影響。例如，猶他州大鹽湖水位下降導致鹽度增加，這可能會影響食物鏈上的所有生命。
帕裏斯說："除了從生命探測的角度來看，了解鹽度的影響對於地球的保護和可持續發展也很重要。研究表明，鹽度的增加如何改變微生物群落的組成和微生物新陳代謝的速率。這些因素會影響營養迴圈以及甲殼類動物和昆蟲的生活，而甲殼類動物和昆蟲是候鳥和其他水生動物的重要食物來源。"
該研究的共同第一作者艾米麗-帕裏斯（Emily Paris）和內斯特-阿蘭迪亞-戈羅斯蒂迪（Nestor Arandia-Gorostidi）準備孵化來自南灣鹽廠的鹽水。資料來源：安妮-德卡斯
發現地球上最鹹水域中的生命
海洋研究團隊來到像南灣鹽廠這樣的鹽池--本研究的樣本就是在這裏采集的--或舊金山灣沿岸的鹽池時，它們會發現地球上一些最活躍的微生物像萬花筒一樣閃爍著霓虹綠、鐵銹紅、粉紅和橙色的光芒。這些拼湊在一起的顏色反映了水生微生物適應在不同鹽度下生存的能力，也就是科學家們所說的"水活性"--可用於微生物生長的生物反應的水量。
帕裏斯說："我們很想知道，水活性在什麽時候會變得過低，鹽度在什麽時候會變得過高，微生物生命在什麽時候無法再生存。"海水的水活性水平約為 0.98，而純水的水活性水平為 1。大多數微生物在水活度低於 0.9 時就會停止分裂，據報道，在實驗室環境中維持細胞分裂的最低水活度絕對值略高於 0.63。
在新的研究中，研究人員預測了生命的新極限。他們估計，生命在低至 0.54 的水活度水平下也能活躍。
史丹福大學的科學家們與來自全國各地的同事合作，從南海灣鹽場收集樣本，這裏有地球上最鹹的海水。他們從鹽廠不同鹽度的池塘中收集鹽水，裝滿數百個瓶子，然後將它們運回史丹福大學進行分析。
在科學家分析瓶內微生物的活動之前，鹽水瓶在實驗室的溫度和光照控制室中孵化。圖片來源：安妮-德卡斯
更快地發現生命
以往尋找生命的水活性極限的研究都是使用純培養物來尋找細胞分裂停止的時間點，這標誌著生命的終點。但在這些極端條件下，生命的加倍速度緩慢得令人痛苦。如果研究人員依靠細胞分裂來檢驗生命何時終止，他們將面臨長達數年的實驗室實驗，這對於像帕裏斯這樣的研究生來說並不現實。即使進行了細胞分裂研究，也不能說明生命何時消亡；事實上，細胞可能新陳代謝活躍，即使沒有復制，也仍然充滿活力。
因此，帕裏斯和德卡斯研究了露天鹽池中的微生物，以確定生命的另一個極限--細胞活動的極限。
研究小組對之前的研究進行了三項關鍵改進。首先，他們沒有使用純培養物，因為純培養物是科學家猜測哪種特定物種或菌株的生命力最頑強的最佳標準，而是使用了一個實際的生態系。在鹽場，環境自然選擇了最能適應這些特定條件的復雜生物群落。
其次，研究人員采用了更為靈活的生命定義。他們不僅將細胞分裂，還將細胞構建視為生命的標誌。"這有點像觀察人類進食或生長。這是生命活躍的標誌，也是復制的必要前奏，但觀察起來要快得多，"德卡斯說。
在數以百計的鹽水樣本中（其中一些鹽水鹹得像糖漿一樣粘稠），他們確定了水的活性水平，以及鹽水中的碳和氮融入細胞的程度。透過這種方法，他們能夠檢測到細胞的生物量增加了多少，最小的增加量僅為1%的一半。相比之下，以細胞分裂為重點的傳統方法只能在細胞的生物量增加大約一倍後才能檢測到生物活動。然後，根據這一過程是如何隨著水活性的降低而減慢的，科學家們預測這一過程將完全停止。
第三，當其他科學家在鹽水中測量碳和氮的大量摻入時，史丹福大學的研究小組利用史丹福大學的一種罕見儀器--納米SIMS--進行了逐個細胞的分析，這種儀器在全美屈指可數。這種靈敏的技術使他們能夠在其他"腌制"細胞中觀察到單個細胞的活性，而這些細胞的存在會掩蓋批次分析中的活性訊號，從而實作低檢測限。
"環境樣本的單細胞活性分析仍然非常罕見，"德卡斯說。"單細胞活性分析是我們在這裏進行分析的關鍵，隨著單細胞活性分析的廣泛套用，我認為我們將看到微生物生態學的進步，這些進步具有廣泛的相關性，從了解全球氣候到人類健康。我們對單細胞水平的微生物世界的了解才剛剛開始。"
編譯自/ScitechDaily
