原来地球真正的主宰是肉眼看不到的细菌

2016-09-19作者:[美]马丁·布莱泽 著;傅贺 译;严青 校编辑:谢爽

地球的历史开始于45亿年前。彼时,它是一块灼热的熔岩,没有任何生命的迹象;但10亿年后,海洋里充满了自由活动的细胞。我们目前尚不清楚生命是如何从原始海洋里出现的。有人认为第一块生命元件来自于太空飘落的星尘,即所谓的泛种论假说。另有人争论说自我复制的分子出现于大洋底部的沉积黏土,或深海热泉,或出现于波浪冲击海岸形成的浪花泡沫里。关于生命起源,我们仍然没有一个圆满的解释。



尽管如此,我们已经大体上了解了生命的运行规律,它们如何从简单变得复杂,并最终产生出了今天地球上丰富的生物多样性。所有的生命形式、所有的生命现象都依赖于原始海洋里形成的永恒法则——演化、竞争与合作。



在这个地球上,真正的主宰者是肉眼看不到的微小之物——细菌。在近30亿年的时间里,细菌是地球上唯一的生命形式。它们占据了陆地、天空、水体的每一个角落,推动着化学反应,创造了生物圈,并为多细胞生命的演化创造了条件。它们制造了我们呼吸的氧气,支撑了我们耕耘的土壤,提供了海洋生态系统赖以维系的食物网。在漫长的岁月中,它们经过不断地试错,最终创造出复杂而稳定的反馈系统,并造就了今天的生命形式。这个过程无比缓慢,但势不可挡。



对人类的心智来说,要理解久远的岁月(deep time)非常困难,更难理解的是数十亿年微生物的活动如何将无机物转变成了有机物。“久远的岁月”这一概念来源于地质学,来源于我们对大陆板块如何活动的理解——大陆板块形成、分裂、漂移、相互撞击、山脉隆起,而这些山脉在数十亿年的风吹雨打中渐渐销蚀。然而早在今天大陆架的前身——大约5亿年前的劳亚大陆与冈瓦那大陆——出现之前,细菌就已经在地球上活动了。



约翰•麦克斐(John McPhee)在他的经典文章《盆地与山峦》里,以一个出色的类比刻画了我们在历史长河中的位置:“倘若地球的全部历史有古英格兰的一码长,即从国王的鼻尖到他伸展开的手臂末端那么长,那么当他在指甲锉上打磨一下指甲盖的时候,就抹去了人类的全部历史。”


或者考虑另外一个类比:假如将地球过去37亿年的生命史压缩成24小时,那么,我们的类人祖先将在午夜前47〜96秒出现,而我们自己——灵长类智人属则在午夜前2秒登上舞台。



为了理解浩瀚无垠的微生物世界,我们需要理解一个概念——绝大多数微生物都非常微小,100万个微生物也不过针眼大小。但是假如你把地球上所有的微生物都聚拢起来,它们的数目将超过所有哺乳动物、鸟类、昆虫、树木等肉眼可见的生命形式的总和。此外,微生物的总质量也将远远超过这些肉眼可见的生命形式的总和。请记住这个事实:不可见的微生物组成了地球上生物量(biomass)的主体,超过海洋与森林中所有的鱼类、哺乳动物、爬行动物。



没有微生物,我们将无法消化,无法呼吸;没有我们,绝大多数微生物将安然无恙。


环顾我们周围,处处都有微生物在繁衍生息。海洋里有不计其数的微生物,有人对此作了估算:海洋中至少有2000万种(一说是10亿种)微生物,占据了海洋生物总重量的50%〜90%。海洋微生物的细胞数量超过1030这相当于2400亿头非洲象的重量。



为期10年的国际海洋微生物普查计划,对全球1200多个采样点进行了取样分析。结果表明,实际存在的微生物种类可能是传统观点认为的100多倍。无论放眼何处,总有些微生物在数量与功能上占据统治地位。说到意外发现,他们也发现了许多物种只有不到1万个个体(对细菌来说这真是微乎其微),包括许多只存活一次的“独生子”(singletons)。他们得出结论,海洋中有许多罕见的细菌在韬光养晦,等候合适的时机爆发。这些概念同样适用于寄居在我们体内的微生物。微生物的一个重要特色在于它们可以长时间、低数量地“潜伏”,等到机会合适才突然爆发。



许多海洋微生物都是所谓的“极端微生物”。例如,有一些微生物生活在海底热泉附近。在那里,地壳之下喷涌而出的沸腾海水富含硫、甲烷、氢气。当这些热泉遇到冰冷的海水就形成圆柱形的“烟囱”。这些“烟囱”里含有多种酸类及重金属化合物。在黑暗缺氧、类似地狱的海底世界,许多微生物正是靠着热泉中的化学物质繁衍生息。在美国黄石国家公园的地热喷泉、特立尼达的加勒比海岛上的沸腾湖中,我们也可以见到同样的情形。在南极大陆的巨型冰川之中与北冰洋厚厚的冰层之下,同样也有细菌在生活着。



占据了地球60%表面积的海洋地壳,由海底幽暗的火山岩组成,它滋养了也许是地球上最大规模的微生物群体。在它上面栖居的微生物,依赖于水和岩石之间的化学反应而获得生存所需的能量。


最近,人们发现有些细菌依靠海上漂浮的塑料颗粒为生。虽然该进程非常缓慢,但是上千种不同的微生物都参与了将“塑料圈”降解回生物圈的过程。除了往海洋里丢塑料垃圾,我们没有“专门照顾”过这些细菌。然而在海上漂浮着的无数种微生物中,有一些偏偏就好塑料这一口,慢慢地,它们的规模就越来越大——你看,这就是自然选择(其实是塑料选择)。



最近,在地球最深处的马里亚纳海沟,人们也发现了活跃的微生物群落,其中的细菌数量比周围海底平原沉积物中的10倍还多。在南美洲的西海岸,一块大小与希腊国土面积相当的巨型微生物垫依赖于硫化氢而生活。


大量的微生物随着风,特别是飓风,上了高空。然后它们就滞留在天上,甚至安顿下来。它们帮助形成了卷积云,并作为成核颗粒形成冰晶,促进降雪。它们既改变了天气又影响了气候,还促进了营养物质的循环与污染物的分解。


在陆地上,微生物主宰着我们最珍贵的资源之土壤。目前,多项对世界各地土壤微生物取样的计划正在进行之中,有专家称之为“探寻地球上的暗物质”,将其与探索宇宙中的暗物质相提并论。



微生物使地球变得适宜人类栖居。它们分解死尸残骸——这对其他生物来讲相当重要。它们可以将空气中惰性的氮元素转化或者“固定”成活细胞可以利用的游离氮的形式,造福于所有的动植物。在墨西哥湾深海原油泄漏之后,细菌消化了许多污染物。它们可以利用石油里的营养物质,再辅以从空气中得到的氮源,饕餮一餐。


微生物也生活在岩石里。例如,在南非的埃姆博能金矿里,一些细菌在放射性衰变的帮助下繁衍生息。铀裂解水分子时会释放出氢元素,这些细菌就利用游离氢与硫酸盐的结合为生。它们甚至可以帮助我们发掘金矿。代尔夫特食酸菌(Del ftia acidovorans)使用特殊的蛋白质将对细菌有毒的游离金离子转变成无毒的惰性金属形态,使得固体金从溶液中沉淀出来,聚集成沉积金矿床。此外,也许是世界上最强桿的细菌——耐辅射球菌(Deinococcus radiodurans)竟然能生活在放射性废物里。



我最爱的微生物几年前才见诸报道。它是由地质学家们在勘探钻井,并研究提取出来的岩芯时发现的。从取自1600米深处的岩芯里,他们发现了三种成分:玄武岩(岩床的一种形式)、水和许多细菌。这些细菌依靠岩石和水就可以维生。


最后,许多工业都有赖于微生物为我们服务——从发酵面包、酿酒,到利用生物工程技术生产现代药物。我们尽可以放心地假定,细菌可以执行我们给它们安排的任何化学反应。它们无穷无尽的多样性里肯定还隐藏着我们目前尚不了解的能力。我们需要做的是明确问题,并找到合适的微生物来解决问题。或者,我们可以改造它们的基因。限于篇幅,这些令人激动的可能性就不展开了。


内容来源:书问

作者[美]马丁·布莱泽 著;傅贺 译;严青 校
出版湖南科学技术出版社
定价48元
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