如果把居住在地球表面下的所有微生物的質量加起來，它們的生物量總和將超過我們海洋中的所有生物。然而，由於難以進入這些深處，這些繁衍生息的地下生命在很大程度上仍未被探索和了解。美國西北大學的研究人員利用南達科他州黑山的一個廢棄金礦作為實驗室，繪製了迄今為止最全面的地下微生物圖譜。

Magdalena Osburn 教授在八月的現場考察中取出一個樣本。圖片來源：桑福德地下研究設施

研究人員總共描述了近600 個微生物基因組的特徵，其中一些是科學界的新發現。在這批微生物中，領導這項研究的西北大學地球科學家馬格達萊納-奧斯本（Magdalena Osburn）說，大多數微生物可分為兩類： 它們是”極簡主義者”和”極致主義者”。”極簡主義者”簡化了它們的生活，每天都吃同樣的東西；而”極致主義者”則隨時準備貪婪地攫取任何可能出現的資源。這項研究最近發表在《環境微生物學》雜誌。

桑福德地下研究設施的前金礦外景。資料來源：桑福德地下研究設施

這項新研究不僅擴展了我們對生活在地下深處的微生物的了解，也暗示了我們有一天可能在火星上發現的潛在生命。由於微生物依靠岩石和水內的資源生存，而這些資源與地表是物理分離的，因此這些生物也有可能在火星塵土飛揚的紅色深處生存。

西北大學溫伯格藝術與科學學院地球與行星科學副教授奧斯本說：”地表下的深層生物圈是巨大的；這是一個廣闊的空間。我們利用礦井作為進入生物圈的通道，無論如何接近生物圈都很困難。這項研究的強大之處在於，我們最終獲得了大量基因組，其中許多來自研究不足的群體。透過這些DNA，我們可以了解哪些生物生活在地下，並了解它們可能在做什麼。這些生物通常無法在實驗室中生長，也無法在更傳統的環境中進行研究。它們通常被稱為’微生物暗物質’，因為我們對它們知之甚少。”

進入地殼的入口

在過去的10 年中，奧斯本和她的學生們定期前往位於南達科他州利德市的前霍姆斯泰克礦山（Homestake Mine），收集地球化學和微生物樣本。現在，這個地下深處的實驗室被稱為桑福德地下研究設施（SURF），主持了一系列跨學科的研究實驗。2015 年，奧斯本在整個SURF 建立了六個實驗點，統稱為”深礦微生物觀測站”。

“礦井現在是一個專門用於地下科學的設施，”奧斯本說。”研究人員主要進行高能粒子物理實驗。但他們也讓我們研究生活在岩石中的深層生物圈。我們可以在一個受控的專用場所進行實驗，並在幾個月後對其進行檢查，這在活躍的礦井中是做不到的。”

透過在礦井內的岩石上鑽孔，奧斯本和她的團隊可以捕捉到由水和溶解氣體組成的斷裂流體。其中一些流體的歷史可長達1 萬年，其中蘊藏著大量微生物生命，而這些微生物生命在其他情況下都是與世隔絕、被忽視的。

在這項新研究中，奧斯本和她的團隊收集了8 份流體樣本，這些樣本採集於整個礦井的不同位置，深度從地表一直到約1.5 公里深處。這些樣本提供了一個窗口，讓人們了解微生物生命隨深度變化的梯度。

“極簡主義者”和”極致主義者”

回到奧斯本在西北大學的實驗室後，她和她的團隊對樣本中的微生物DNA 進行了定序。在近600 個基因組中，微生物代表了50 個不同的門和18 個候選門。

在這個多樣化的微生物群落中，奧斯本發現，在某些時候，每個品係都會傾向於一種決定生命的軌跡：成為極簡主義者或極致主義者。

奧斯本說：”我們發現，許多微生物要么是極簡主義者：超流線型，只有一項工作做得非常好，與合作者緊密團結；要么就是什麼都能做一點。這些”極致主義者”隨時準備好利用出現的每一種資源。如果有機會製造一些能量或轉化生物分子，它就會做好準備。透過觀察它的基因組，我們可以知道它有很多選擇。如果營養物質匱乏，它可以自己製造。”

瑪格達萊納-奧斯本教授收集由水和溶解氣體組成的斷裂流體。圖片來源：桑福德地下研究設施

奧斯本解釋說，極簡主義者通常與朋友共享資源，這些朋友也有專門的工作：「其中一些菌系甚至沒有製造自身脂質的基因，這讓我大吃一驚。沒有脂質怎麼能製造細胞呢？這有點像人類無法製造每一種氨基酸，所以我們吃蛋白質來獲得我們自己無法製造的氨基酸。但這是更極端的情況。極簡主義者是極端的專家，他們齊心協力，使其發揮作用。這是一種共享，沒有重複勞動”。

對地球和地球以外的啟示

奧斯本說，當我們想像地球以外的生命時，這些地下微生物可能會為其他地方可能存在的生命提供線索。她說：『當我看到微生物生命的證據時，我真的很興奮，它們在沒有我們、沒有植物、沒有氧氣、沒有地表大氣的情況下做著自己的事情。這些生命很可能就存在於火星深處或冰冷衛星的海洋中。這些生命形式告訴我們太陽係其他地方可能存在什麼。而且，它們對我們自己的星球也有影響。例如，隨著工業界尋找長期碳儲存的地點，許多公司正在探索將二氧化碳注入地下深處的可能性。”

當我們探索這些方案時，奧斯本提醒我們不要忘記微生物。

她說：「我們需要認識到深層地下的生命，以及人類活動（如採礦和碳儲存）可能對其產生的影響。如果我們將二氧化碳封存在地下，就會有微生物將其代謝為甲烷。地下有一個生物圈，根據對它的擾動，有可能對地表產生影響”。”