微生物席：能帮助我们在外星世界中寻找生命的原始结构
微生物席：能帮助我们在外星世界中寻找生命的原始结构
Open PDF in new window.
Open link to original article on Frontiers for Young Minds.
微生物席：能帮助我们在外星世界中寻找生命的
球气候的。科学家们相信微生物席是能够在像地球这样的岩石行星上繁衍 生息的，因此他们在研究不同陆地环境中的微生物席，以便识别出一些在 其他星球上存在微生物席的证据。
微生物能形成大型结构
微生物是肉眼不可见的微小生物体，因为它们大多数都只有一个细胞。 我们需要利用显微镜才能观察到它们。它们生活在我们人体内外，也生 活在我们的周围环境中，包括土壤、水和空气之中。有时候微生物会共 同建造出一些庞大的结构，这些结构是不需要显微镜就可以观察到。例
在
如，地衣看起来像植物，实际却是藻类和真菌之间奇妙关系的产物，并 在树木或岩石上呈现出片状或无叶状枝条的模样。酸奶、醋、芝士和面 包都是经发酵制成的，而发酵这个过程是由特定的微生物群体完成的。 一些植物会形成一种被称为根瘤的小型结构，这种结构能够给微生物提 供住处。多亏于在这些根瘤里的微生物，植物才得以从环境中获取食物， 也多亏了这些植物，让微生物能够拥有一个生存的空间和大量的糖分。 通常而言，当食物在冰箱里变质时，你可以观察到一层微生物附着在上 面，我们将之称为生物膜。 在自然界中，许多微生物生活在地里面。它们利用土壤、水和矿物质能 结 形成巨大、坚固的结构。当存在高质量的食物时，一些微生物能数以百
顶
万计地大量繁殖，并附着在土壤或沙粒上，形成一些看起来像普通岩石
样
或泥浆的结构，实际上它们是由众多微生物构造出来的活结构。岩石微 、 生物结构有很多不同类型，包括微生物岩、内蒸发岩、核形石和叠层石
成
等。（图1）。这些结构可以有不同的形状和颜色，强烈受其形成过程中 的环境条件的影响。微生物席是微生物构造出的一个具体的例子。
微生物席是什么？它们有什么作用？
微生物需要能量和水来构建微生物席。水可以由温泉、潟湖或海岸线处 提供，且许多微生物会利用太阳能作为其主要能量来源。拥有了足够的 ， 遗 能量和水分后，微生物便能在地表上繁衍，它们会与食物和沙粒（或土 迹 壤）粘在一起，并可以形成足有数厘米厚的“席子”（图1C）。在某些情况 下，新的“席子”会在更老的、死亡的“席子”上形成，从而让其变厚（图1G、 H）。顾名思义，“席子”正好比地毯或毯子，可盖在不同大小的物品表面。 当近距离观察时，我们会发现“席子”也有有趣的垂直分层现象（图2）。 微生物能分布在绿色、橙色、红色和紫色席层中，每一层代表着不同的 微生物群落，不同的微生物群落所需要阳光和氧气的量是不同的（图1I）。 所有“席子”里的微生物共同分工合作以维持自身生存，并与其周围环境相 互作用。 一些研究已表明，微生物席对生态系统的运转起重要作用。例如，当“席 子”在地表处大批量地繁殖，它们会促进土壤和沉积物健康，并提供营养 物质以使后者变得更加肥沃。微生物席也参与到诸如碳、氮、硫等化学 元素的养分循环之中。它们还可以净化水质，并吸收和释放诸如氧气、 氢气、二氧化碳和甲烷等气体，微生物席也是动物的食物来源。一些苍 蝇、蜗牛、蠕虫、螃蟹和鸟类以小块的微生物席为食，而体型大的生物 又以这些体型小的生物为食。由于微生物席会持续被吃掉，因此它们往 往不怎么增加，除非出现极端环境中的例外情况。
世界各地的微生物席
如今，在热带沿海环礁湖、河口和港湾处均可寻得微生物席，但是微生 物席可能难以被发现，因为它们需要在食物充足且不被其它生物吃掉的 情况下才能长出很大的面积。然而，微生物席在化石记录却被广泛发现， 这表明在数十亿年前，它们在早期的地球上是十分丰富的。试想想看！ 恐龙起源于2.45亿年前（BYA），鱼类起源于5.30亿年前，水生植物起源 于12亿年前，但微生物席在地球上甚至在35亿年前就存在了，比任何其 他生命形式的存在都要早很长时间。在地球早期，这些微生物结构在世 界各地的岩石和砂砾地表广泛繁殖。试想一下那个画面！如今微生物席 通常被其他生物取食，但在几十亿年前，那些高等生命体尚未进化出来， 因此微生物席就这样持续繁衍生存！微生物席是最古老的有组织的生命 形式之一，研究当今存在的微生物席能让科学家了解到它们为生态系统 和早期及现代地球生态系统作出的贡献。地质数据和实验室研究已经揭 露了微生物在地球历史上的重要性。人们相信，在过去，微生物席的丰 富及高度活跃度造就了如今我们所呼吸的大气。此外，古老的微生物席 可释放二氧化碳和甲烷，从而为调节地球气候作出贡献，即帮助形成了 一个温暖的大气层，使得地球成为宜居的星球。
微生物席作为地球之外有生命迹象的模范
微生物席已经在极端的生态系统中被发现，如在海岸周围极度盐碱的地 带和沙漠土壤中。同时，它们也能够在极地地区在永不解冻的冻土层中 形成，附着在永久冻土之上，而冻土层是永远不会解冻的土壤层。微生 物席也被发现在高温地区，毗邻火山和热泉，还能在光照和水压恶劣的 深海中生存。 由于微生物席能在光照、水分、温度和盐度的极端变化下生长，科学家 相信微生物席可能存活于地球之外，生长在其他岩石行星或卫星上。太 阳系里的大部分行星和卫星并不适合生命存活，因为那里接受着大量紫 外线或宇宙辐射，且缺乏维持生命的大气层。但有些证据表明太阳系里 的一些行星和卫星可能有水存在，它们当中有些被冰层保护着。倘若在 那些遥远的地方存在生命，那很有可能是以微生物的形式存在，而不是 大型动植物。因此，通过研究微生物席的特点，科学家能发现微生物席 的生物征迹。生物征迹像是一张身份证，能表明生命的存在。例如，微 生物释放的气体或它们在岩石和沙砾中形成的结构可能是它们的生物征 迹。利用航天器上的摄像头和仪表，由微生物构建的大型结构将比微生 物本身更容易被发现。倘若我们利用航天器里的摄像头在另一星球上观 察到微生物席的生物征迹，这就意味着那颗星球上或存微生物。 当前，科学家正在积极寻找太阳系中活体或化石化的生物席。火星和土 星的两颗卫星（土卫二和土卫六）具有形成微生物席的地质特征。火星 表面被认为铺满岩石且十分干燥的，但最近，美国国家航天航空局 （NASA）的火星侦测器提供了该星球上具有液态水的有力证据。研究土 星及其卫星的卡西尼－惠更斯号和旅行者号航天器在土卫六和土卫二上 找到了水和极地冰层的证据，它们可能与地球极地冰盖中冰和水相类似。 迄今尚未有任何证据表明在地球以外也存在生命繁衍，但对地球极端生 态系统的研究能帮助我们预测宇宙中其他微生物生命所需的条件，并能 设计出一些策略和设备以帮助我们寻找它们。例如，我们必须知道我们 应该在太空任务中发射哪些仪器来探测微生物释放出的气体，也必须知 道我们应该如何在图像中识别微生物席。
我们是如何研究微生物席的呢
地球上，微生物席无处不在，无论环境温和还是极端，也无论地方毗邻 还是遥远。最为著名的微生物席莫过于位于美国加利福尼亚州黄石公园 里的那些，它们生长在热泉和间歇泉附近。不过，你也可以在一些浅海 海岸，即潮汐涨落的地带找到微生物席。例如，微生物席能够在红树林、 盐沼、湿地，或河流湖泊的边缘生长。有时，在一些没有定期清洁的地 方，也会生长着一些小的生物膜或微生物席，例如鸟池、喷泉或鱼缸中 （图3A—H）。 目前对微生物席的研究是通过实地考察和勘探进行的，以此可以了解微 生物席及微生物在不同生态系统和多样环境条件下的生存能力。这些采 集到的信息能够帮助科学家们洞悉微生物席在生态系统中所扮演的角色， 以及在光照、水分、温度和其他条件限制下哪些微生物能够持续运转、 发挥作用。除了在微生物席生活的自然环境中地带研究它们之外，科学 家们还会将它们中一小部分转运到实验室中，以便利用各种工具来长期、 深入地研究其的生命活动。例如，我们可以在实验室里培育微生物席， 并用仪器来检测它们能制造出多少氧气，及消耗多少二氧化碳（图3I— L）。
总结
总而言之，微生物席是错综复杂的系统，为我们提供了研究微生物多样 性、生态和进化的绝佳机会。微生物席大小不同，形状各异，它们遍布 球，在各式各样的生态系统中都能找到其身影。正如微生物席一样，在 世界各地都可以找到对微生物席研究兴趣浓厚的科学家。你是否知道， 或是否曾造访过一些会生长着微生物席的地方呢？
Figures
Figure 1: 由微生物利用土壤、 水、岩石和矿物而形成 的一些结构的例证 （A）来自西澳大利亚坎 宁盆地凯西瀑布地区的 核形石（照片来源：海 迪 艾伦）;（B）内生蒸 发岩;（C）微生物席; （D、E、G、H）在墨西 哥尤卡坦半岛的微生物 席。（F）来自北美休伦 湖中岛沉洞（ Middle Island Sinkhole）中的 微生物席（图片来源： 约翰 布莱特，美国国家 海洋与大气管理局 （NOAA）雷湾国家海洋 保护区）。（I）来自墨 西哥格雷罗内格罗的微 生物席的横切面。 生态系统 生活在某一区域内的生 物群落，以及环境中的 非生物组成部分（天 气、景观） 生物征迹 任何能够强有力地表明 具有生命迹象的特征、 分子、物质或特性。
Figure 2: 微生物席顶端表层一厘 米处的微观结构 （A）典型微生物席的结 构。活的微生物位于顶 层，而老的微生物则位 于下层（B）微生物席顶 部一厘米横截面特写， 呈现出不同的层次。 （C）不同种类的微生物 生活在微生物席的不同 层中。一些重要的元素 如碳、氮、氧会被微生 物循环利用。 Cadena et al. 物本身更容易被发现。倘若我们利用航天器里的摄像头在另一星球上观 察到微生物席的生物征迹，这就意味着那颗星球上或存微生物。 当前，科学家正在积极寻找太阳系中活体或化石化的生物席。火星和土 星的两颗卫星（土卫二和土卫六）具有形成微生物席的地质特征。火星 表面被 认为铺 满岩石 且十分 干燥的 ，但最 近 ，美 国国家 航天航 空局 （NASA）的火星侦测器提供了该星球上具有液态水的有力证据。研究土 星及其卫星的卡西尼－惠更斯号和旅行者号航天器在土卫六和土卫二上 找到了水和极地冰层的证据，它们可能与地球极地冰盖中冰和水相类似。 迄今尚未有任何证据表明在地球以外也存在生命繁衍，但对地球极端生 态系统的研究能帮助我们预测宇宙中其他微生物生命所需的条件，并能 设计出一些策略和设备以帮助我们寻找它们。例如，我们必须知道我们 应该在太空任务中发射哪些仪器来探测微生物释放出的气体，也必须知 道我们应该如何在图像中识别微生物席。 我们是如何研究微生物席的呢 地球上，微生物席无处不在，无论环境温和还是极端，也无论地方毗邻 还是遥远。最为著名的微生物席莫过于位于美国加利福尼亚州黄石公园 里的那些，它们生长在热泉和间歇泉附近。不过，你也可以在一些浅海 海岸，即潮汐涨落的地带找到微生物席。例如，微生物席能够在红树林、 盐沼、湿地，或河流湖泊的边缘生长。有时，在一些没有定期清洁的地 方，也会生长着一些小的生物膜或微生物席，例如鸟池、喷泉或鱼缸中 （图3A—H）。 目前对微生物席的研究是通过实地考察和勘探进行的，以此可以了解微
Figure 3: 水藻和席子一样的菌膜 生长在常见的地方，如 （A）鸟澡盆，（B）街 道排水沟，（C）室外屋 顶板，（D）鱼缸底 部，（E）屋顶排水口的 集水器，（F）河口处的 水源，以及（G）棚下 的一块木板。 （H）加利福尼亚州麋 角潟湖（Elkhorn Slough）河口上游地区 的漂浮海藻；（I）微生 物席收集区域展示图； （J）对微生物席进行采 样；（K）从实地考察点 转运微生物席。（L）在 美国国家航天宇航局艾 姆斯研究中心温室里培 育的微生物席。 Cadena et al. Beugnon） 和 苏珊·德巴德（Susan Debad）提出的宝贵意见。 参考文献 [1] Yanez-Montalvo A., Águila Salgado B., Gómez-Acata E., Beltrán Y., Valdespino-Castillo P., Centeno C., et al. 2019. Microbialites: what on earth? Front. Young Minds. 7:112. doi: 10.3389/frym.2019.00112 [2] Seckbach J., and Oren A. 2010. Microbial Mats: Modern and Ancient Microorganisms in Stratified Systems. Amsterdam: Springer. doi: 10.1007/978- 90-481-3799-2 [3] Hoehler T. M., Bebout B. M., and Des Marais D. J. 2001. The role of microbial mats in the production of reduced gases on the early Earth. Nature. 412:324– 7. doi: 10.1038/35085554 [4] Nazari-Sharabian M., Aghababaei M., Karakouzian M., and Karami M. 2020. Water 10.3390/galaxies8020040 [5] Mitri G., Postberg F., Soderblom J. M., Wurz P., Tortora P., Abel, B., et al.