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[转载]南极冰下维达湖耐盐极端细菌

已有 3669 次阅读 2012-11-29 09:46 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

    位于南极洲东部的维达湖深埋在20米厚的冰下长达2800年,温度保持在零下-13摄氏度,湖水盐度是海水的7倍,而近日研究学者却发现,即使在这样恶劣的环境下却有生命存在。

    科学家在完全密封的冰冻的湖里发现了大量奇特的微生物,这项新发现增加了在环境恶劣或不适宜生存的星球,诸如火星和卫星(例如木卫二)上,外星生命存在的可能性。

    “维达湖便是当湖完全结冰时的情景的典型例子,火星上的任何湖泊都可能经历同一过程,也即曾经富含水的湖泊迅速冷冻结冰。”美国芝加哥伊利诺伊大学的皮特·多兰(Peter Doran)这样说道。以他为首的研究小组目前正在研究维达湖所在的南极干旱河谷地区。“任何火星水体在被冻结成冰前都要经历类似维达湖目前的阶段,因此埋葬了过去存在的生态系统的证据。”

    在对结冰的维达湖表面开凿了27米后,科学家发现了维达细菌,后者属于一种未知物种。它很可能是通过新陈代谢湖底大量存在的氢和维达湖高盐度湖水中包含的氧化物而存活下来的。

    研究合作作者、美国内华达州里诺沙漠研究所的艾莉森·穆雷(Alison Murray)正在实验室培养抽取出来的某些细菌细胞,以进一步调查这一问题。“我们可以利用这些培养的有机物更好的了解这些细菌能够承受的物理或化学极端条件,后者可能与诸如木卫二等冰冷天体上的环境条件相似。”

    穆雷和她的同事非常惊讶的发现湖水中含有大量的氢、一氧化二氮和碳。他们怀疑这些物质很可能起源于周围岩石里的含氮矿物质与盐发生的反应。在过去的100年间,这些终日不见阳光的细菌很可能进化得完全依赖这些物质以获得能量。“我认为湖底的罕见环境条件对塑造我们发现的微生物的多样性和特性起着重要的作用。”穆雷说道。

    维达湖存在的微生物意味着研究人员正在研究的南极洲更古老更深的湖泊——主要是埃尔斯沃斯湖和沃斯托克湖——也肯能存在生命形式。这两个湖泊深达3千米,被结冻的冰层封闭了数百万年。

    “埃尔斯沃斯和沃斯托克是否存在生命,我们目前完全没有线索,但是在这些高盐度的湖里,生命是可以存活的。”英国布里斯托大学的马丁·希格特(Martin Siegert)这样说道,他带领了一支探险小组于11月25日出发前往埃尔斯沃斯湖。

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    在南极冰盖以下约20米深处的盐水湖中,科学家发现湖中的微生物生命与外部世界已经隔绝了近3000年。此项研究的细节发表于《美国科学院院刊》上,描述了维达湖(Lake Vida)无光、缺氧的环境,高盐的湖水呈弱酸性,温度约为零下13摄氏度。碳定年法表明,这一不适合生命生存的盐水湖已经存在了超过2800年。

  “这一发现扩展了生命的极限条件,”美国伊利诺伊大学地球与环境科学系教授彼得·T·多伦(Peter T Doran)在新闻发布会上说,“湖水本身的低温、高盐条件就已经是很大的限制,考虑到没有太阳能和其他大气物质的输入,湖中环境对生命来说极其艰难。”

  2002年对维达湖盐水的研究已经发现了古老微生物的存在,然而这些盐水需要在温度升高之后才会出现生命活动的迹象。最近的研究发现,维达湖中存在着以细菌占主导的,多样化且代谢活跃的生态系统。

  维达湖位于南极洲的边缘,为了研究湖中的生命,研究团队采集了冰芯中的盐水样品。结果发现,化合物和氧化物的含量很低,氢分子的含量则较高。“地球化学分析表明,盐水和底质之间的化学反应会产生一氧化二氮和氢分子,”同样来自伊利诺伊大学的Fabien Kenig说,“氢分子可能为微生物提供了必需的能量。”

  维达湖中的生态系统不仅为冰冷极地的生态学提供了有价值的信息,也提示着在地球大气层外的冰冷环境中,也可能存在着类似的生命

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延伸阅读:比维达湖更深的埃尔斯沃斯湖

埃尔斯沃斯湖位于南极冰层1公里以下,是南极最大最深的湖泊。十几年来,这个失落的世界就一直是英国布鲁斯托大学的冰川学家马丁·西格特魂牵梦萦的地方。现在,他探索这片神秘水域的时机终于来了。
 
据《自然》网站近日报道,英国和美国南极科考队将深入古老的埃尔斯沃斯湖,考察冰下生命。
 
两国南极科考队已整装出发
 
西格特已整理好行囊并踏上了去往世界另一端的旅程。他在到达英国南极科考站—罗瑟拉站后,将和队员飞行大约1000公里深入到南极洲的西部。12月5号,开始从原始湖泊的冰层向下钻探,试图找到上百万年未见到阳光的微生物。考察队还将研究湖底沉积物,探寻南极西部地区的冰川痕迹,揭示巨大冰川如何随着时间消融。
 
西格特兴奋吗?他说:“这是我从新千年开始时就着手研究的最前沿问题,我能不兴奋吗?”
 
人们已经发现并在地图上标明了将近380个南极冰下湖泊,并通过穿透冰层的雷达,重力测量以及地震调查远程探索了这些湖泊。这些古老湖泊有大有小,是由于地热从底部熔化南极冰层而形成的。重力和冰层的压力促使熔化形成的水流动起来,最后聚集在冰层下大陆的空洞和山谷中。
 
如果一切顺利,埃尔斯沃斯湖将成为第二个被探索的冰下湖泊。今年2月,一支俄罗斯的考察队穿越了沃斯托克湖,从而完成了20年前开始的一个科考项目。第三次努力也将马上开始:另一支美国钻探队将向着南极的麦克默多站出发,并在明年1月到达他们的目的地—维兰斯湖,一个小而浅的,靠近罗斯冰架的水体。
 
寻找南极冰下微生物
 
南极科考最让人激动的地方在于探寻这些湖泊之中或之下进化而来的微生物。科学家已经在别处发现了能从岩石和矿物质中获取能量的细菌。许多人认为生活在南极冰层下的湖泊里的微生物也有这样的能力。
 
参加英国南极科考的环境微生物学家大卫·皮尔斯说:“生命能存在于极端的生态系统,从深岩石圈到高层大气。如果我们到那没有发现微生物,那会令我难以置信。”
 
沃斯托克湖考察队在巨型冰川底部湖水结冰形成的积冰沉积物中发现了DNA(核糖核酸),这为嗜热细菌可能寄居在湖周围基岩中提供了证据。但在上月斯德哥尔摩举行的第12届欧洲太空生物学研讨会上,俄罗斯彼得堡核物理研究所的微生物学家谢尔盖·拉特表示,在对俄罗斯考察队钻头上结冰的湖水的初步分析中,没有找到原生微生物,上层湖泊本身似乎没有生命存在。考察队即将回到站点以收集更多样本。
 
西格特认为,埃尔斯沃斯湖只有约长12公里、宽3公里、深150米的范围,与长250公里、宽50公里的沃斯托克湖相比,只是一个小水坑;埃尔斯沃斯湖坐落于大陆分水岭附近冰川下的山谷,上覆冰层移动最慢;埃尔斯沃斯湖的冰大约零下30摄氏度,比南极东部沃斯托克高原的冰要“暖和”一倍,并且要薄将近1000米。所有的这些因素使得埃尔斯沃斯湖比著名的沃斯托克湖更容易进入并获得更广泛的样本,可能是探寻微生物更好的选择。
 
是否存在生命,年底就能揭晓
 
西格特说,埃尔斯沃斯湖提供了细菌需要的所有条件,包括液态水和营养,并且水温仅仅是零下几摄氏度,在其中找到生命的可能性极大。即使埃尔斯沃斯湖证明无菌,此次勘探也可能为揭示究竟什么限制了地球上和太阳系中其他地方的生命提供线索。
 
英国队希望用可以熔冰的高压喷射90摄氏度水的钻头,3日内到达埃尔斯沃斯水面。一旦凿洞完成,考察队在洞重新结冰前将有24小时时间部署采样探头和沉积物取芯管。
 
为确保不会有表面微生物污染湖水,设备的准备非常讲究,已在去年经过南极条约缔约国的检验。西格特估计钻头将消耗6万升水,这些水来自站点的积雪,经过五段过滤系统然后用紫外光杀菌处理。西格特说:“我们使用的水比湖里的自然冰融化形成的水还要干净。”5米长的圆柱形钛钻头将在湖的不同深度取样,钻头在英国南安普敦的一个无菌室组装,包装在无菌袋中。
 
西格特说,在非常短的时限内完成所有取样操作是面临的主要挑战。即使进展不顺利,考察队还有足够燃料吸入更多的热水重新开洞。如果钻头丢失或卡住,研究人员可以钻另一个洞并部署另一套取样设备。
 
埃尔斯沃斯湖是否存在生命,年底就能确定。但对南极冰下隐湖的勘探才刚刚开始,蒙大拿州立大学波兹曼分校冰川学家约翰说,我们还需要勘探这3个湖以外的更多南极湖泊,获得更多的数据。
 
约翰说:“我们已经走过了漫长的道路,不久前,人们还认为南极是个大冰块。我很高兴看到这些令人兴奋的科学探寻。但恐怕我们对南极冰川下的环境知道得仍然太少,比对火星上一些地方了解还少。”

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    埃尔斯沃斯湖,位于南极洲西部,是分布于南极洲的400多个地下湖泊之一,该湖泊在50万年前被冰封住后与世隔绝。2012年一个英国科研小组将在这里开展钻探任务,以寻找地下湖50万年来与世隔绝的古老生命。

    一个英国科研小组正着手准备一项在南极进行的具有重大历史意义的科考任务。这个英国科研小组由4名科学家组成。

    科研人员决定用钻机钻进一个埋于冰下的古老湖泊埃尔斯沃斯湖,提取可能含有微生物存在证据的水样。科研人员希望这个位于南极西部冰原的埃尔斯沃斯湖的秘密可为两方面提供重要线索,地球过去的气候,以及埃尔斯沃斯湖里与世隔绝50万年的生物。

    科研小组指出,如果这里有生命,就表明生命可存活于最严酷的环境,其中包括外星球。国布里斯托尔大学科学家马丁·斯格特表示:“在一个可能与世隔绝多达50万年的湖泊中寻找生命是项令人兴奋的勘探任务。湖床沉积物有可能描绘出一幅西南极冰原的历史画面,这是一幅以前我们从未见过的画面。”

钻孔图解

    南极洲有400多个冰下湖泊分布在南极洲各处。他们将用钻机钻透近2英里(约合3.2公里)南极冰,寻找50万年来与世隔绝的古老生命。[1]

    这次钻探任务16年前就已开始规划,预计2012年12月开始。研究人员已开始在零下25摄氏度和平均25节风速的恶劣环境中展开准备工作。这些来自英国南极调查局(BAS)和英国国家海洋中心(NOC)的工程师将用两种科学仪器探测埃尔斯沃斯湖,一种是最先进的水钛取样器,第二种是沉积物取芯管。他们会先用定做的热水钻在冰上钻出一个3公里深的孔,然后把这些科学仪器放下去。

    为保持这个以前未被勘查过的湖泊的原始状态,科学家按照标准对每个技术环境作了杀菌处理。同时,在用来放置取样仪器的钻孔冰冻并再次封闭前,他们只有24小时从湖中取样。

    计划:这张图解显示,英国科研小组将用3天时间钻出一个1.8英里深、直达埃尔斯沃斯湖底部的钻孔,然后放下一个岩芯钻取器取样。

埃尔斯沃斯湖 - 准备工作

    2011年9月,一支小规模的先遣队把近70吨设备从1.6万公里远的英国运到这个钻探地点。2012年9月会再将26吨设备运到南极洲,这样就完成了这次极具挑战性任务的第二阶段。2012年10月,研究人员会再次踏上这块冰雪大陆,希望12月份把样本带到地面上来。



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