科學好故事|完美的生物載體:極端微生物編入信息永久存續
2021年01月11日10:17

  來源:Nautilus

  撰寫:維拉特·馬坎迪亞(Virat Markandeya)

  翻譯:葉子

藝術家喬·戴維斯認為,自己找到了一種持久穩定的人類歷史記錄載體。這種微生物也許可以幫助我們與系外文明進行交流。
藝術家喬·戴維斯認為,自己找到了一種持久穩定的人類歷史記錄載體。這種微生物也許可以幫助我們與系外文明進行交流。

  法國的布列塔尼地區以擁有上千年歷史的鹽場而享譽全球,這些鹽場產有一種特別的“鹽之花”,是由海水蒸發後留下的鹽結晶而成。不久前,哈佛大學醫學院的喬·戴維斯用顯微鏡分析了當地色彩豔麗的鹽池,發現淺水中富含多種嗜鹽菌(可以在含鹽環境中生長的微生物)。這令他十分好奇的想到了一個問題:等鹽池中的水蒸發殆盡,這些微生物又不會憑空消失,那它們究竟去了哪兒呢?

  來自2.5億年前的鹽中微生物

  隨後戴維斯購買了一系列手工專用鹽,並做了消毒處理。這位具有酷似甘道夫的風度的69歲老人十分熱愛DIY,還有將信息永久保存下去的心願。1986年,他首次證明了信息可以被儲存在基因中。由1和0組成的數字信息可以被對應到由四種DNA核酸組成的序列上,然後被整合併插入到細胞中。這之後科學家只要對DNA進行測序,便可讀取其中編錄的指示信息。

  戴維斯目前正在把排名前五萬的維基百科頁面編入Apple基因中,以期創造一棵永恒的“知識樹”。他還與位於波多黎各的阿雷西博望遠鏡團隊合作,將地球上數量最多的、光合作用不可或缺的蛋白質的基因序列發往了地球附近的恒星。

  戴維斯通過研究這些手工鹽發現,前面所說的噬鹽微生物被封存在了鹽晶體中,可以進行培養。這讓他發現了十分奇怪的一個現象:在經過分析的這些鹽中,有一種來自喜馬拉雅山脈附近,這些岩鹽十分古老,並且從地質學、古生物學與地球化學證據來看,自從它們最初沉積形成以來,還從未經曆過溶解和重新結晶。這說明保存在喜馬拉雅岩鹽中的原始微生物也許來自二疊紀至寒武紀時代。

  “這令我大為震驚。它們怎麼可能來自2.5億年前呢?”

  於是戴維斯從德國與奧地利的礦藏中採集了一些來自幾億年前、二疊紀時期的鹽,又從紐約最深的鹽礦採集了一些,想試試看能否從這些鹽中培育出微生物。過去幾十年來,越來越多的科學文獻指出,我們也許有可能復活數百萬、乃至數億年前的微生物。這些微生物一直以脫水狀態存活,並未死亡,但將新陳代謝降到了最低限度,只保留最基本功能。

法國布列塔尼地區的蓋朗德鹽(sel de Guérande)是海洋、陽光、風、鹽場工人的傳統勞作綜合作用的結果,數千年來,它一直是從鹽沼中手工採集而來。
法國布列塔尼地區的蓋朗德鹽(sel de Guérande)是海洋、陽光、風、鹽場工人的傳統勞作綜合作用的結果,數千年來,它一直是從鹽沼中手工採集而來。

  這意味著從某種意義上來說,這些微生物成功逃脫了自然選擇的宿命。數億年來,它們一直保持著休眠狀態,沒有發生進化,也沒有發展出有利性狀,而是變成了一種相當於“種子銀行”的存在。這些遠古微生物被封存在海底深處的鹽結晶中,處於缺乏氧氣、但富含硫化氫的環境里。戴維斯意識到,他就這樣發現了一種頑強的生物載體,不僅可以儲存遺傳信息,且保質期極長。

  戴維斯和同事們在2020年2月發表的一篇論文中提出,利用DNA堿基對創造的數字信息檔案可以被插入活體嗜鹽菌中,然後便可以“無限期”保存在結晶礦物鹽中。2019年9月,戴維斯展出了一種經過基因改造的極端嗜鹽古菌(Halobacterium salinarum),這是一種極其頑強的微生物,比大腸杆菌還要更勝一籌,從古鹽中發現的極端嗜鹽古菌與從鹽場中培育出的現代樣本進行了對比後會發現二者極其相似、難以辨別。

  為什麼是鹽?

  極端嗜鹽古菌的防輻射機製與耐輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans)很相似。每個極端嗜鹽古菌細胞中含有25份相同的染色體,在遭受高劑量輻射後,這些染色體會變為碎片、然後重新組合。該細菌的致死輻射劑量高達大多數大腸杆菌的18倍,“利用沉積在地下的古鹽和能夠攜帶信息的嗜鹽菌,打造最穩定長久的人類信息檔案”也許並不只是一個設想。

  大約就在這段時間里,英國蘇塞克斯大學微生物學家特倫斯·麥克基尼提則帶著自己的學生,考察了位於英國地下深處的伯畢鹽礦。此處設有一座暗物質實驗室。“鹽礦可以隔絕大量宇宙輻射,因此地下的輻射水平很低。”這也是極端嗜鹽古菌保護自身不受輻射傷害的方式之一。“封存在岩鹽中更有利於古細菌的存活。”

  極端嗜鹽古菌寄身於鹽結晶內部的流體包裹體中(即充滿液體的空腔),其中所含的高濃度鹽水導致鹽結晶看起來霧濛濛的。極端嗜鹽古菌的酶機製已經適應了這種高鹽分環境,因此淡水反而會導致細胞破裂。細胞需要維持滲透平衡,海水、鹽水和淡水的含鹽量各不相同,對細胞的影響也有輕重之分,但淡水是其中最致命的。,因為“淡水會對細胞的滲透平衡造成劇烈衝擊,導致細胞破裂。”

  1928年,加州大學伯克利分校一位名叫查斯·利普曼的科學家曾宣稱,自己在前寒武紀時期的岩石中發現了活體微生物。利普曼主要研究了從威爾士和美國賓夕法尼亞州採集的無煙煤,將其放在過氧化氫溶液里、並置於熱烤爐中,在攝氏160至170度的高溫下消毒了兩天以上,“在無煙煤中發現的這些微生物其實是倖存者,從煤最初形成時一直封存至今。由於無煙煤實質上接近於泥炭,因此構成它的物質最初也許是富含微生物的。”

  在煤炭中找到微生物,就相當於要在所謂的“深層生物圈”中找到生命。深層生物圈還未得到統一定義,一般指位於地表下方的棲息環境,海洋生物圈中的沉積物也是深層生物圈的一部分,與極端嗜鹽古菌在鹽結晶中的生存環境有一些相似之處,生存在其中的物種都被囚禁在了能量極為有限的環境中。

  動物一般只會翻動海洋沉積物最上層的10釐米,而在這10釐米以下,沉積物受到的影響就很小了。海洋中有些位置數百萬年來都不曾經曆過明顯擾動。

  完美的生物載體

  由於能量極其有限,這些棲息環境很難在實驗室中進行模擬。科學家曾研究過多處這類棲息環境,南太平洋渦流便是其中之一。“喬迪斯·決心號”大洋鑽探船上的船員們從渦流底部鑽取了一根長長的豎直岩芯。在鑽取過程中,工作人員必須佩戴口罩,防止吸入岩芯釋放出的硫化氫氣體。有些岩芯長達數百米,需要分段鑽取。

  在從上至下分析這根岩芯的過程中,相當於從現代環境一路走回了遠古環境。從南太平洋渦流採集的岩芯最早可追溯至9500萬年前。其中所含的硫化氫其實是微生物新陳代謝的副產品,能夠測量到其中含有硫化氫,這一點“有力地證明了該棲息環境中存在能夠呼吸的活體微生物。”微生物對環境的適應程度可能不取決於它的生長能力,而取決於它的生存能力。

  研究人員對這類微生物能承受的能量下限尤其感興趣:“很難說清下限有多低,因為這些微生物處理的能量極其接近於零。”當微生物從生長模式轉變為“維護模式”、再轉變為“深度休眠狀態”時,會發生能量上的轉換。“處於深度休眠狀態時,微生物的基礎能量需求會進一步降低,比處於維護狀態時還要少。”

  人體的運行功率通常為100瓦,而從理論上來說,地下深處的微生物的運行功率或可低至10-21瓦,遠比人類低得多。不過,10-21只是理論上的能量極限,微生物一般能承受的能量極限可能比這要高一些。

  實驗學家們在試圖培養這些遠古細菌的過程中遭遇了很多困難。復活這些古菌的時間已經超過了1000天,有些古菌沒能成功復活,缺少的要素也許不是營養物質,而是時間,因為這些微生物的生長速度實在是太慢了。

  雖然絕大多數“殭屍微生物”也許都無法活下去,但哪怕只有少數得以倖存,對太陽系內外的生命而言也具有重大意義。科學家認為,含鹽環境在宇宙中十分常見。最新觀測結果顯示,火星南極附近就存在若幹個鹽水湖。並且自上世紀80年代以來,科學家已經多次在火星隕石中發現岩鹽成分。此外,木衛二和土衛二上也很可能存在含鹽環境。位於小行星帶中的矮行星穀神星也擁有一片活躍的海洋。

  前文提到的戴維斯將極端嗜鹽古菌以鹽結晶的形式保存起來、放在架子上展出,並將自己的藝術展命名為“不死者科西切”。科西切是俄羅斯民間神話中的一位邪惡巫師,他將自己邪惡的靈魂藏在了一枚針尖中,再將針尖藏在一隻鴨子體內的鴨蛋裡。如果有人追逐,鴨子就會飛走。而這套“保護裝置”又被埋在一隻箱子裡,箱子被擱在一座小島上。隨著潮漲潮落,小島會時而出現、時而消失。

  戴維斯和他的團隊利用一種名叫“向量編碼”的技術,在極端嗜鹽古菌的DNA中插入了一些信息,其中一部分就是受到了“不死者科西切”的啟發。他們還在其中存入了一個三維的雙螺旋結構、以及一個四維的超立方體結構。這些數字信息以一種充滿詩意的方式,將一個關於“永生不死”的古代神話融入其中,使人不禁驚歎連連。

  假如極端嗜鹽古菌真的能曆經千百萬年而不死,也許可以用於星際間信息傳遞。這樣的生物載體可以永久存續下去,因為我們可以製作上億個副本,設定上億個接受者。

  關於極端微生物的論文數量在過去十年里快速增長,儘管在技術層面還存在諸多挑戰,但已經有越來越多的科學家投身其中。或許在不久的將來我們可以看到極端微生物的奇妙應用面世。

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