斯坦福大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的新研究預(yù)測，生命可以在極度含鹽的環(huán)境中持續(xù)存在，超出了之前認(rèn)為可能的極限。

這項研究于 12 月 22 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，基于對南加州海岸工業(yè)池塘鹽水中發(fā)現(xiàn)的數(shù)千個單個細(xì)胞的代謝活動的分析，在那里，水從海水中蒸發(fā)以收獲鹽。這些結(jié)果擴(kuò)大了我們對整個太陽系潛在宜居空間的理解，以及對一些地球水生棲息地因干旱和水轉(zhuǎn)移而變得更咸可能產(chǎn)生的后果的理解。

斯坦福杜爾可持續(xù)發(fā)展學(xué)院地球系統(tǒng)科學(xué)助理教授、資深研究作者安妮·德卡斯（Anne Dekas）表示：“我們不可能到處尋找，因此我們必須認(rèn)真考慮在哪里以及如何在其他行星上尋找生命。" 。“擁有盡可能多的關(guān)于生命在地球端極環(huán)境中的生存地點和方式的信息，使我們能夠優(yōu)先考慮其他地方的生命探測任務(wù)目標(biāo)，并增加我們成功的機(jī)會。"

對探測地球以外生命感興趣的科學(xué)家長期以來一直在研究鹽分環(huán)境，他們知道液態(tài)水是生命所必需的，而鹽可以讓水在更廣泛的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)。鹽還可以保存生命跡象，就像鹽水中的泡菜一樣。“我們認(rèn)為含鹽的地方是尋找過去或現(xiàn)在生命跡象的良好候選者，"該研究的主要作者、德卡斯實驗室的地球系統(tǒng)科學(xué)博士生艾米麗·帕里斯（Emily Paris）說。“鹽可能正是使另一個星球適合居住的東西，盡管它也是地球上高濃度生命的抑制劑。"

這項新研究是一項名為“跨時空海洋"的大型合作的一部分，該合作由康奈爾大學(xué)教授布蘭妮·施密特領(lǐng)導(dǎo)，并由美國宇航局天體生物學(xué)計劃資助，該計劃匯集了微生物學(xué)家、地球化學(xué)家和行星科學(xué)家。他們的目標(biāo)是：了解海洋世界和生命如何共同進(jìn)化以產(chǎn)生可檢測的過去或現(xiàn)在的生命跡象。了解海洋世界適宜居住的條件，并開發(fā)更好的方法來檢測生物活動信號，是預(yù)測太陽系其他地方可能發(fā)現(xiàn)生命的步驟。

帕里斯表示，我們還應(yīng)該考慮鹽度變化如何影響地球上的生態(tài)系統(tǒng)。例如，猶他州大鹽湖水位下降導(dǎo)致鹽度增加，這可能會影響食物鏈上游的生命。

帕里斯說：“除了生命探測的角度之外，了解鹽度的影響對于地球的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展也很重要。" “我們的研究表明鹽度增加如何改變微生物群落組成和微生物代謝率。這些因素會影響營養(yǎng)循環(huán)以及甲殼類動物和昆蟲的生命，它們是候鳥和其他水生動物的重要食物來源。

地球上最咸的水域

旅客飛越鹽池，例如南灣鹽廠（本研究的樣本就是在那里收集的），或者沿著舊金山灣飛行，可以看到地球上一些活躍的微生物發(fā)出霓虹綠、鐵銹紅、粉紅色和橙色的萬花筒般的光芒。拼湊而成的顏色反映了適應(yīng)在不同鹽度水平下生存的水生微生物的排列，或者科學(xué)家所說的“水分活度"——可用于微生物生長的生物反應(yīng)的水量。

“我們很想知道什么時候水分活度變得太低，鹽度變得太高，以及微生物生命在什么時候無法生存，"帕里斯說。海水的水分活度約為 0.98，而純水的水分活度為 1。大多數(shù)微生物在水分活度低于 0.9 時停止分裂，據(jù)報道，在實驗室環(huán)境中維持細(xì)胞分裂的絕對低最水分活度水平剛剛超過 0.63。

在這項新研究中，研究人員預(yù)測了新的生命極限。他們估計生命在低至 0.54 的水平下就可能很活躍。

斯坦福大學(xué)的科學(xué)家與來自全國各地的同事合作，從南灣鹽場收集樣本，該鹽場是地球上一些最咸水域的所在地。他們從鹽廠不同鹽度的池塘里裝滿了數(shù)百個瓶子，然后將它們運(yùn)回斯坦福大學(xué)進(jìn)行分析。

現(xiàn)場水分活度測試由美國METER Group, Inc.公司的AquaLab 4TE水分活度儀完成。

更快地尋找生命

此前尋找生命水分活度極限的研究使用純培養(yǎng)物來尋找細(xì)胞分裂停止的點，標(biāo)志著生命的終點。但在這些端極條件下，生命緩慢地痛苦地翻倍。如果研究人員依靠細(xì)胞分裂來測試生命何時停止，他們將面臨長達(dá)數(shù)年的實驗室實驗，而這對于巴黎這樣的研究生來說是不切實際的。即使進(jìn)行了細(xì)胞分裂研究，也無法表明生命何時死亡。事實上，細(xì)胞可能具有代謝活性，并且即使在不進(jìn)行復(fù)制時仍然非常活躍。

因此，帕里斯和德卡斯研究了露天鹽池中的微生物，以確定不同的生命極限——細(xì)胞活動的極限。

研究團(tuán)隊對之前的研究做出了三項關(guān)鍵改進(jìn)。首先，他們沒有使用純培養(yǎng)物（這是科學(xué)家對哪種特定微生物物種或菌株彈性的標(biāo)準(zhǔn)最佳猜測），而是進(jìn)入了實際的生態(tài)系統(tǒng)。在鹽廠，環(huán)境自然選擇了適合最這些特定條件的復(fù)雜生物群落。

其次，研究人員對生命使用了更靈活的定義。他們不僅認(rèn)為細(xì)胞分裂，而且將細(xì)胞構(gòu)建視為生命的標(biāo)志。“這有點像觀察一個人吃飯或成長。這是活躍生命的標(biāo)志，也是復(fù)制的必要先驅(qū)，但觀察速度要快得多，"德卡斯說。

在數(shù)百個鹽水樣本中（其中一些樣本非常咸，像糖漿一樣濃稠），他們確定了水分活度水平，以及鹽水中的細(xì)胞中含有多少碳和氮。通過這種方法，他們能夠檢測到細(xì)胞的生物量何時增加了 1% 的一半。相比之下，專注于細(xì)胞分裂的傳統(tǒng)方法只能在細(xì)胞生物量大致翻倍后檢測生物活性。然后，根據(jù)這個過程隨著水分活動的減少而減慢，科學(xué)家們預(yù)測它的截止將全完停止。

第三，雖然其他科學(xué)家已經(jīng)大量測量了鹽水中碳和氮的摻入量，但斯坦福大學(xué)團(tuán)隊使用斯坦福大學(xué)一種名為 nanoSIMS 的罕見儀器進(jìn)行了逐個細(xì)胞分析，該儀器是該國僅有的少數(shù)儀器之一。這種靈敏的技術(shù)使他們能夠觀察其他“腌制"細(xì)胞中單個細(xì)胞的活動，這些細(xì)胞的存在會掩蓋批量分析中的活動信號，并達(dá)到較低的檢測限。

“環(huán)境樣本的單細(xì)胞活性分析仍然相當(dāng)罕見，"德卡斯說。“這是我們分析的關(guān)鍵，隨著它的應(yīng)用越來越廣泛，我認(rèn)為我們將看到微生物生態(tài)學(xué)方面的進(jìn)展，從了解全球氣候到人類健康，這些進(jìn)展具有廣泛的相關(guān)性。我們才剛剛開始在單細(xì)胞水平上了解微生物世界。"