海底微生物重新定义了生命的能量极限，打破了科学家对生命的认知

能量驱动地球上的生物，它是所有生物生长、发展和发挥作用的根本。但是到底需要多少的能量来维持生命的运转呢？海底下栖息在沉积物中的微生物正在展现一些令人惊讶的答案。这些生物不仅挑战了科学家们对生命能量需求的认识，而且还为定义生命以及我们可能在哪里找到生命提供了新的方法。

在8月的《科学进展》杂志上，研究人员展示了海底下神秘的生物圈迄今为止最完整的画面。海洋钻探探险队已经多次探测到那些没有光线的深处，发现了几乎处于假死状态的细胞，它们消耗的能量比海面上的细胞要少几个数量级。但提取出的模型表明，这种类似僵尸的状态可能适用于海洋沉积物中的绝大多数微生物，它们通常依靠接近理论生命所需的最低能量生存。

为了了解生活在海底沉积物中的微生物，科学家通常必须进行钻探探险，以获取它们的样本。但这些任务是困难并且昂贵的，70%的地球表面被海洋覆盖。“我们很快意识到，我们无法得到绘制海洋沉积物地图所需的样品数量，”南加州大学暗能量生物圈调查中心主任、这篇论文的合著者阿蒙德说。“所以我们需要使用现有的数据，并用建模方法扩展这些数据。”

为了达到这个目的，阿蒙德、布兰得利和他们的团队将海洋划分为几十万个区域，并利用几十年的探险、实验室实验和理论模型的数据来推断每一个区域中较年轻沉积物的详细轮廓。他们估算的值包括沉积物的年龄、沉积物中细胞的密度和分布、这些细胞如何获得能量，以及细胞代谢的速率。

根据这些数值，研究人员计算出了每个区域的能量消耗（获取和使用能量的速度，而不仅仅是能量本身的数量）。“这很重要，因为这是一种更准确地讨论生命能量的方式，”田纳西大学诺克斯维尔分校微生物学家凯伦·劳埃德说。“时间对生命来说真的很重要。”

一泽普托瓦生命

他们发现，埋在海洋沉积物中的细胞在极低的能量水平下生存。总的来说，这些沉积物中的微生物，在某些地方可能延伸到海底以下几公里的地方，总共使用的能量仅是海洋上层200米细胞所消耗能量的十分之一，而且比任何在实验室环境中测量到的生物体的能量水平低了一个数量级。

该计算结果与团队成员早前的理论工作一致。2015年，团队成员试图估算生命所需的最低能量，其前提是，即使处于深度休眠状态的细胞也必须修复其必需分子的随机损伤，才能存活。他们发现，对于单个细胞来说，这个功率的最小值约为一泽普托瓦（zeptowatt），即10^（-21）瓦。这大概是每天将千分之一粒盐提升一纳米所需的能量。新的模型表明，生活在海底沉积物中的细胞所吸收的能量仅略高于这个水平：10^（-21）瓦。

一个停滞的生物圈

这项研究表明，这个地下生物群落几乎没有细胞分裂，下面的一些单个细胞可能已经有1亿年的历史了。这也意味着，在这段时间里，这些细胞可能根本没有进化或变化。这是一个停滞的生物圈。“对于这个难以置信的大生物圈，我们关于细胞如何进化的概念已经过时了。”阿蒙德说。

然而，由于它们的数量和它们存活的时间，这些几乎死亡但还没有完全死亡的细胞在甲烷的产生、地球上最大的有机碳库的降解以及其他过程中扮演着重要的角色。“他们是非常低权的生物，但他们实际上对地球有着巨大的影响，”劳埃德说。

总而言之，他们不需要太多的能量来维持生命。这开启了一种可能性，即生命存在于科学家以前没有发现过的领域，包括似乎并不适宜居住的行星上。例如，在曾经有海洋的星球上，细胞可能是通过等待时机直到环境改善而得以生存的。

虽然这个模型是全面的，但它仍然不完整，它关注的是距今约260万年前的较年轻的地下沉积物。在较深沉积物中的微生物可能会使用更少的能量，而在其他海底栖息地的细胞，比如地壳的岩石，可能会使用更多的能量。

模型中的假设也值得进一步研究。“这里有很多细节值得探究，”罗德岛大学海洋学家史蒂夫·德洪特说。例如，这项新研究对有氧代谢和无氧代谢的地理分布的估计与之前的发现并不完全一致。

生命的边缘

诸野和德洪特是一个研究小组的领导，他们在两周前宣布，他们已经使沉睡在海底深处长达1亿年的细菌复活。他们煞费苦心地诱导那些沉积物中休眠的细胞恢复到一种更容易被识别为有生命特征的状态。然而，当他们在之前的一项研究中对更年轻、更富营养的沉积物做同样的尝试时，他们只能复活一小部分微生物，这是一个违反直觉的结果，因为这些细胞生活在一个看起来不那么恶劣的环境中。

布拉德利的新论文中的模型暗示了一种可能的解释：当一亿年前的沉积物最初形成时，被捕获的微生物可能实际上拥有更多的能量。根据诸野的说法，也许是这种初始状态，然后是能量水平的更直接下降，随着细胞被更深地埋藏，某种程度上使长期生存变得更有可能。

他希望研究人员能够继续将更多研究的信息整合到模型中。但是，建模似乎已经帮助证实了许多科学家的怀疑。生命的边缘是什么？要成为生命，需要什么？