粉红海参

 

螺旋藻

 

斑绞管海葵幼虫

 

鱿鱼虫

 

 

从微生物发酵到疫苗、抗生素的研制，再到食品加工、能源开发、环境修复等领域，现代微生物学总是与人类的改造和利用紧密相关。但事实上，微生物的存在本身就对人类意义重大，即便人类什么也不做，它们也从未停止对这个世界付出。

 

有人说，生命的开端就是微生物演绎的，这并不为过。地球最初的氧气就来源于蓝细菌的光合作用，如果不是微生物吸收了大量的二氧化碳，高等生命怎么可能进化产生。微生物的生态功能是近年来微生物研究的重要方向，尤其是随着全球气候的变化，微生物的响应和反馈受到了科学家们的关注。当然，对此中国的科学家也不曾缺席。

 

 

1月26日，从美国远道而来的“决心号”钻探船将从我国香港的港口起航，在南海执行钻探科考任务。这是从1985年1月开始实施的国际大洋钻探计划在2013年至2023年的新阶段——国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program, IODP）的第一次航行。

 

同济大学海洋与地球科学学院教授张传伦也正在积极地准备登船参与这次航行。虽然他所参与的科研课题仅仅是此次科考中的一小部分，但是对于研究地球深部微生物的张传伦来说，这将是一次令人期待的钻探，“这将是第一次通过大洋钻探在南海详细地了解微生物在深海沉积物中的生态、环境适应性、生物地球化学功能以及生物演化。我们很期待能够取得好的样本，并回答一些科学家们共同关注的问题”。

 

张传伦向《中国科学报》记者介绍，中国在海洋深部生物圈研究方面刚刚起步，与目前国际上的研究差距还很大。但是未来的机会有很多，比如这一次南海的大洋钻探及中国正在申请的下一个南海的钻探计划。

 

对于南海来讲，几百米以下的沉积物中的微生物，科学家们对其多样性、生态功能及在南海的特殊性等等还一无所知。这一次的钻探将打穿将近2000多米的沉积物，一直到基岩。

 

在这么厚的沉积物中，微生物是怎样生存的？沉积物中的微生物与上层水体中的生物之间是否有演化上的联系？沉积物中保存的有机物都是难降解的，微生物演化出了哪些特殊的生理、生化功能来啃动这些“硬骨头”？微生物是如何适应那样的极端环境的？

 

这些是目前研究深部生物圈所面临的基本问题，而张传伦也将携手其他中美欧科学家一起带着这些问题踏上此次南海钻探之旅。

 

对于海洋深部的微生物，我们已经了解到的，更多的应该是一个意识上的改变。张传伦说：“这种意识上的改变就是，微生物所参与的元素循环在海洋中起到非常重要的作用。比如，海洋中的古菌在海洋的碳循环中扮演着重要的角色。但是，我们对于其中具体的过程了解还非常少。”

 

 

中国科学院院士、厦门大学教授焦念志正在领导一个“微型生物碳泵”的计划。张传伦介绍说，大家通常所说的生物泵是指依靠浮游生物（光合生物）把大气中的二氧化碳转化成自身的有机碳，通过颗粒物的下沉，把大气中的二氧化碳以有机碳的形式在沉积物中保存下来。而微型生物所参与的碳泵，就是指把易降解的有机碳转变成难降解的溶解有机碳，使得这种有机碳能够在海洋中以几千年的时间尺度得到保存，而不会短时间内被氧化成二氧化碳重新释放到大气中去。

 

在广阔的海洋中，有一些微生物的种群是广泛分布的，比如，一些与甲烷水合物相关的古菌群落。全球的天然水合物分布很广，凡是有天然气水合物存在的地方，基本上都找到了一类名为ANME的古菌群落，它们是甲烷厌氧氧化的重要参与者，上海交通大学的肖湘和王风平在这一研究领域已取得了很好的成果。而另一类叫MCG的古菌很可能有着降解有机质的特殊功能并在深部沉积物中广泛存在。因此，在将要进行的南海钻探中，张传伦非常期待能够发现一些广泛存在而又具有特殊功能的目前没有被认知的生物群落。而这也将是对南海这一西太平洋最大边缘海沉积物中微生物的特殊性的认知所进行的一次重要的旅途。

 

为了达成这些目的，张传伦已经作好在钻探船上紧张工作的准备。从生物研究的角度，他们将主要富集培养特殊的参与碳循环的微生物，比如参与有机质降解及甲烷生成和氧厌氧化的微生物等。此外，还希望通过宏基因组、单细胞基因组、膜脂标记化合物和单体碳同位素技术等手段来研究生物的演化及生物地球化学过程是否伴随着南海海盆形成的主要事件。这就必须通过一些严格的、避免污染的手段得到不同深度的生物样品，进行后面的细致的实验室工作。

 

相关的研究一部分将在船上进行，比如测定一些不稳定气体成分，对氧气敏感的化合物等，这是了解微生物生存环境的重要手段。还有些需要培养的微生物，也将即刻在船上进行培养实验或常温保存。而那些需要进行DNA测序的样品将被保存在零下80摄氏度冰箱中，带回陆地后进行后续的实验。

 

 

海洋微生物固碳的能力已经被科学家广泛认可，其一年固碳的数量达到了22亿吨左右。不过，近年来，科学家越来越意识到陆地土壤微生物的固碳能力被严重忽略。

 

2013年有研究显示，在中亚荒漠一处植被覆盖率达到60%的地区，微生物固碳的能力与植被固碳能力相当。中科院微生物所研究员孔维栋在接受《中国科学报》记者采访时表示，这意味着，在某些地区，相同比例下，微生物固碳的实际能力将可能超过植被。

 

目前，中科院微生物所的研究团队正在做一项有关土壤微生物固碳能力的研究。他们在青藏高原从东南到西北这样一个典型的水分带，从森林到草甸到草原再到荒漠地区，分别对土壤取样，检测在这些植被梯度带上，微生物固碳的数量到底有多大。孔维栋说，他们设想，随着植被的减少，微生物固碳将越来越占主导。

 

尽管微生物的固碳能力不容小觑，但问题随之而来。随着温室气体含量的上升，这些固碳微生物的生存是否也会发生变化？孔维栋介绍说，微生物对于全球气候变化的响应和反馈是近年来微生物生态功能研究的热点。

 

有研究发现，在远古时期，一类通过硫循环获取能量的微生物非常喜欢高浓度的二氧化碳环境，低浓度下反而不易生存。在孔维栋看来，固碳微生物的数量和多样性非常高，因此，科学家可以预测，喜欢高二氧化碳含量的微生物类群的数量可能会有所上升。理论上来说，微生物的整体固碳能力可能也会增加。

 

 

但这仅仅是一种猜测。孔维栋告诉《中国科学报》记者，全球气候变化，除了二氧化碳含量升高，温度也在升高，这将使得土壤的水分减少。对微生物而言，这些生存条件的变化都是耦合在一起的，无法预测单一条件改变下的影响。

 

中科院微生物所同时开展的一项研究是观测青藏高原湿地微生物对气候变化的响应。孔维栋介绍说，在青藏高原地区，随着气温的升高，大气环流与季风也出现了变化，致使该地区的水分在逐年增加，最典型的就是湖泊面积的上涨。这也意味着，湖泊会淹没那些高寒草甸或者草原。如果时间不长，它们会发育成不太典型的湿地，其中湿地水分会存在梯度差。监测固碳微生物对水分变化的响应也就能看出它们对气候变化的响应。

 

事实上，微生物除了能够固定二氧化碳为生命活动所用，也会分解环境中的有机质生成二氧化碳或甲烷。一个并不乐观的事实是，随着气候变暖，北极海水中的底泥以及西伯利亚地区的冻土在融化后正产生越来越多的甲烷，而甲烷的温室效应远远高于二氧化碳。

 

孔维栋说，在青藏高原地区，淹水后形成的湿地主要由小嵩草构成，其释放甲烷的能力非常强大，而一个成熟湿地则主要由藏嵩草构成，其氧化甲烷的能力很强。总体来说，青藏高原那些由于水分增加而形成的非典型湿地属于释放甲烷的植被类型。这对我们来说，可不是个好消息。由此看来，环境的变化会对这一地区的生物群落产生很大的影响，这也意味着，对青藏高原湿地微生物究竟如何参与从固碳到有机质的分解，再到甲烷的释放与氧化过程，也十分重要。

 

“目前，科学家还无法预测微生物固定碳和分解有机质的速度哪个更快，但气候异常可能导致微生物生态系统的失衡。”孔维栋坦言，尽管微生物的抗逆性很强，一时间的环境变化也许不会对它们产生太大的影响，而且它们在一定程度上还能对温室气体含量的上升起到缓冲的作用，但如果环境持续恶化，人类将无法阻止可能发生的生态灾难。

 

《中国科学报》 (2014-01-17 第12版    探索)