自20世紀(jì)90年代中期發(fā)現(xiàn)深海海底生物圈以來，科學(xué)家們一直在研究生物體在這種與世隔絕且普遍缺乏食物的環(huán)境中生長的條件，另外還想搞清楚哪些條件為生命的存在設(shè)定了一個極限。2016年，一組國際科學(xué)家乘坐日本科學(xué)鉆探船“地球號(Chikyu)”出海，開始深海海底生物圈的溫度極限的研究工作。

考察團(tuán)隊從日本附近海域的地質(zhì)俯沖區(qū)收集了沉積物樣本。

在這個地方，溫度會隨著深度的增加而陡然上升，在海底1200米處達(dá)到120℃，這個溫度被認(rèn)為接近生命的極限。令科學(xué)家們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)了一個非常小但非常活躍的微生物群落，在這些深而熱的條件下蓬勃發(fā)展。

科學(xué)家們確定了沉積物中的細(xì)胞數(shù)量并通過對甲烷生產(chǎn)和硫酸鹽還原的高度敏感的放射性示蹤劑測量它們的新陳代謝率。他們發(fā)現(xiàn)每個細(xì)胞的新陳代謝率對于深層生物圈來說是非常高的。2022年1月25日發(fā)表在《Nature Communication》上的關(guān)于2016年收集的樣本的新發(fā)現(xiàn)為生活在這種惡劣環(huán)境中的生物的生存策略提供了啟示。

這項研究的論文第一作者、來自拜羅伊特大學(xué)的Felix Beulig說道：“我們提出，這些生物被迫保持高代謝率，這接近生活在地表沉積物和實(shí)驗室培養(yǎng)物中的微生物的活動以提供修復(fù)熱細(xì)胞損傷所需的能量。”研究負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)洛杉磯分校海洋地球微生物學(xué)教授Tina Treude則指出：“修復(fù)細(xì)胞成分的熱損傷所需的能量隨著溫度的升高而陡然增加，而這種能量的大部分可能是抵消氨基酸的持續(xù)改變和蛋白質(zhì)功能的喪失所必需的。”

在每立方厘米沉積物中檢測微生物代謝活動遠(yuǎn)非小事，每立方厘米沉積物中只有不到500個細(xì)胞，這比一般的表面沉積物低七個數(shù)量級。來自德國地球科學(xué)研究中心的Florian Schubert說道：“我們在極度受控的無菌條件下工作并在樣品培養(yǎng)的同時進(jìn)行了大量的控制實(shí)驗。”其導(dǎo)師Jens Kallmeyer表示：“我們甚至孵化了用高伽馬射線消毒的沉積物以及來自鉆孔的鉆井液，以此來檢測任何潛在的非生物反應(yīng)或污染引起的微生物活動。”

由于代謝率的測定是在實(shí)驗室條件下進(jìn)行的，一些不確定性仍然存在，即這些微生物在自然環(huán)境中是否會表現(xiàn)出同樣的代謝活動，因此科學(xué)家們將測量的代謝硫酸鹽還原率跟計算出的深層沉積物中溶解硫酸鹽的耗盡時間進(jìn)行了比較。羅德島大學(xué)的Arthur Spivack表示：“鑒于我們正在比較兩種非常不同的方法，其作用的時間尺度是幾天和幾百萬年，實(shí)驗的速率測定和計算的耗盡時間之間的一致是令人滿意的。”

在最深和最熱的沉積物中，硫酸鹽還原劑和甲烷菌的高單細(xì)胞活性顯然是由來自沉積物孔隙水的氫氣和乙酸鹽推動的。來自德國MARUM的Verena Heuer說道：“乙酸鹽是一種小的有機(jī)分子，也存在于醋中，作為一種潛在的食物來源。乙酸鹽在沉積物孔隙水中的濃度達(dá)到每升10毫摩爾以上，這對海洋沉積物來說是非常高的。”

對于來自奧胡斯大學(xué)的Bo Barker Jørgensen--深層生物圈研究的先驅(qū)之一來說，在深層生物圈中檢測到高細(xì)胞特異性速率是一個迷人的發(fā)現(xiàn)。“我們總是發(fā)現(xiàn)，深層生物圈中的微生物是一個極其遲鈍的群體，它們緩慢地啃食數(shù)百萬年前被埋葬的有機(jī)物的最后遺跡。但深層生物圈充滿了驚喜。在深海海底發(fā)現(xiàn)具有高代謝率的生命茁壯成長滋養(yǎng)了我們對生命如何在地球以外的行星體的類似環(huán)境中進(jìn)化或生存的想象力。”

來自日本JAMSTEC的Fumio Inagaki和Yuki Morono則是該探險隊的另外兩位聯(lián)合首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)探測沉積物中的細(xì)胞。當(dāng)被問及他們對考察隊沒有探測到深層生物圈的溫度上限這一事實(shí)有何看法時，兩人都這樣說道：“我們必須回去，鉆得更深。地球內(nèi)部生物圈的最終界限仍是未知的。正如這個項目所顯示的那樣，該界限存在于沉積物下的大洋地殼的某個地方。將來會通過科學(xué)的海洋鉆探來探索它。”