地球表面之下的隱藏世界：新研究揭開地底深處微生物的驚人多樣性

地底深層的微生物具有高度多樣性，這一發現挑戰了人們對於低能量環境中生命的既有假設。此發現對醫學、能源效率和天體生物學都具有重要意涵。究竟是哪些微生物在我們腳下的黑暗中蓬勃生長，像是在金礦、蓄水層以及海底的深鑽孔裡？它們與覆蓋地球表面（無論是陸地還是海洋）的微生物群落相比又如何呢？

由美國伍茲霍爾海洋生物實驗室（MBL）進行的首項全球研究，針對這個龐大的問題展開探討。研究揭示，某些地底環境中存在著驚人的微生物多樣性，最深可達海底以下491公尺以及地下4375公尺。這一發現凸顯了地底微生物多樣性這個巨大且尚未開發的寶庫，為尋找新化合物和藥物提供了潛力，也有助於提升我們對細胞如何適應極端低能量環境的理解，同時為尋找外星生命提供了線索。

這項由MBL副研究員埃米爾・魯夫（Emil Ruff）領導的研究，近期發表於《科學進展》（Science Advances）期刊。魯夫指出，一般認為，越深入地球表面以下，可用的能量就越少，能夠存活的細胞數量也越低。就如同能量越多，就能產生和維持越高的多樣性，就像熱帶雨林或珊瑚礁，那裡有充足的陽光和溫暖。但他也表示，在某些地底環境中，微生物的多樣性即便不超過地表，也輕易可與地表相媲美，尤其是海洋環境和古菌域的微生物。

這項歷時8年完成的全面研究，也是首項從微生物多樣性和群落組成方面，對海洋和陸地領域進行比較的研究之一。魯夫說，看看植物和動物，很少有物種能同時適應海洋和陸地環境，鮭魚算是一個例外。有趣的是，微生物是否也是如此呢？研究發現確實如此。海洋和陸地的微生物群落組成差異很大，但多樣性水平相近。魯夫表示，這似乎是一個普遍的生態學原理，海洋和陸地的生命形式之間存在著明顯的區分，不僅在地表如此，在地底也是一樣。陸地和海洋的選擇壓力非常不同，它們篩選出的不同生物很難在兩個領域都生存。

魯夫提到，科學家首次廣泛意識到在我們腳下數公里深的岩石和海底之下存在著巨大的微生物儲藏庫，是在20世紀90年代中期。如今科學家估計，地球上50% - 80%的微生物細胞生活在地底，那裡的能量可用性可能比陽光普照的地表低數個數量級。魯夫說，透過這項研究，我們現在也意識到，地球上大約一半的微生物多樣性可能在地底。而且令人著迷的是，在這些低能量環境中，生命似乎被放慢了節奏，有時甚至達到了極限。據估計，一些地底細胞平均每1000年才分裂一次。所以，這些微生物有著完全不同的生命時間尺度，我們有可能從它們身上學到有關衰老的知識。

魯夫表示，為了在地底生存，微生物在進化上適應於將能量需求降到最低，並最佳化新陳代謝的每一個部分，以達到最高的能量效率。我們也可以從中學習：在資源極其有限的情況下如何做到極高的效率。他還指出，如果火星或其他行星在其歷史的某個時刻存在過液態水（有證據表明火星曾經有過），那麼其地表以下3公里的岩石生態系統將與地球的非常相似。那裡的能量會非常低，生物的世代時間會非常長。瞭解地球上的地底生命可以作為一個模型，用於探索火星上是否曾經存在生命，以及生命是否存活下來。

對地球表面和地底各個區域的微生物生命進行研究並不是新鮮事，也不算特別稀少。但魯夫說，由於不同研究團隊使用的研究方法不一致，這些研究資料很難（如果不是不可能的話）進行整合。相比之下，現有的這項研究始於2016年，當時魯夫還是一名博士後研究員，他參加了「地底生命普查」的會議。這是一項由MBL傑出高階研究員米切爾・索金（Mitchell Sogin）共同領導的開創性工作，旨在評估地底微生物生命。

為了這次普查，世界各地的研究團隊將地底樣本送到MBL，科學家們使用完全相同的程式對樣本中的微生物DNA進行測序和分析（這部分工作由MBL科學家希拉里・莫里森（Hilary Morrison）領導）。這首次提供了一個一致的資料集，使得能夠對來自50個海洋和陸地生態系統的1000多個樣本進行比較。魯夫也因此對進行這項大規模比較的想法產生了興趣。魯夫說，我們第一次能夠直接比較，例如五大湖表面沉積物和海底以下兩公里處沉積物中的微生物群落。這就是這篇綜合論文的精妙之處所在。

參考文獻：A global comparison of surface and subsurface microbiomes reveals large - scale biodiversity gradients, and a marine - terrestrial divide by S. Emil Ruff, Isabella Hrabe de Angelis, Megan Mullis, Jérôme P. Payet, Cara Magnabosco, Karen G. Lloyd, Cody S. Sheik, Andrew D. Steen, Anna Shipunova, Aleksey Morozov, Brandi Kiel Reese, James A. Bradley, Clarisse Lemonnier, Matthew O. Schrenk, Samantha B. Joye, Julie A. Huber, Alexander J. Probst, Hilary G. Morrison, Mitchell L. Sogin, Joshua Ladau and Frederick Colwell, 18 December 2024, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adq0645

資金來源：西蒙斯基金會、人類前沿科學計劃、阿爾弗雷德・P・斯隆基金會、美國能源部、法國國家科學研究中心青年教授職位、黑暗能量生物圈研究中心、地底生命計劃