探究生命的秘密：南極洲是微生物研究的絕佳地點

2016年12月份，來自美國喬治敦大學的行星科學助理教授薩拉·斯圖爾特·約翰遜（Sarah Stewart Johnson），從美國南極邊緣麥克默多（McMurdo）科考站乘飛機來到「干谷（Dry Valleys，世界上最乾燥的沙漠）」中部的萬達湖（Lake Vanda）岸邊。她正在尋找古老的微生物，即那些曾經在這個偏遠地區生存和繁衍的簡單生物。但這不僅僅是一次採集樣本的遠征，約翰遜和她的團隊正在尋找生命本身的秘密。

圖1：研究人員薩拉·斯圖爾特·約翰遜（Sarah Stewart Johnson）和戴夫·格爾里茨（Dave Goerlitz）正在南極洲工作

約翰遜表示：「南極洲是研究生命存在相關基本問題的絕佳地點。對我來說，這真的非常有吸引力。我們前往地球上最邊緣的地方，當微生物真的被推向極限時，它們是如何生存下來的？。」通過回答這個問題，約翰遜希望開啟對生命的全新理解，不管是在地球上，還是在其他地方。研究人員希望，與最嚴酷的環境抗爭3000多年的微生物能夠教給我們更多關於生存的知識。

之所以將把萬達湖稱為「偏遠之地」，是因為即使從最近的城市——紐西蘭的克萊斯特徹奇出發，也需要乘坐7小時飛機、駕車行駛1小時、然後再乘坐直升機飛行45分鐘才能抵達這裡。它被群山環繞，這反過來阻止了在山谷中移動冰川的侵蝕作用。這裡的風速達到每小時320公里，經過地面摩擦時會加熱、融化、蒸發以及吹走大部分水分。由於只剩下了沙礫和湖泊，它的含鹽量是普通海水的十倍。即便如此，全年的大部分時間裡依然被4米厚的冰層覆蓋。

然而，這裡的環境並非古來如此。3000年前，這個湖比現在深得多，淹沒了山谷更高的地方，裡面生存著大量的微生物。隨著湖水消退，含有這些微生物的湖床沉積物暴露在空氣中。隨著時間的推移，「微生物席墊」風乾，最終被風沙所覆蓋。你可能會想，對於曾經在湖中生存的微生物來說，這不是一個好地方。然而，當約翰遜的團隊來到這裡的時候，他們發現這個「席墊」仍然完好無損，彷彿它已經在幾千年的乾旱歲月中癒合了傷口。大量細胞在這裡存活了下來。但問題是，它們如何生存下來的？

圖2：麥克默多科考站位於羅斯島的頂端，可以容納1200人

一種理論認為，這些細胞進入了休眠狀態。正如約翰遜所言，它們潛伏下來，並關閉所有的新陳代謝活動，基本上就是在等待條件恢復到更加溫和的狀態再復甦。但如果真是這樣的話，隨著時間的推移，環境會造成損害，細胞也會受損，最終無法修復。可是這種情況沒有發生。於是，約翰遜開始研究另一種假設，即細胞將新陳代謝維持在很低的水平，並繼續進行自我修復。

約翰遜說：「我們想問的一個問題是：在什麼樣的條件下，我們認為休眠是最受歡迎的，或維持著非常低的代謝活動水平，至少足以修復你的基因組，這樣它就不會被損壞，以至於無法修復?」要做到這一點，你需要了解這種能力背後的遺傳學原理。這些微生物的DNA究竟為何使它們如此堅韌？以前這是不可能的。

這是第一次，冰上的研究人員裝備了口袋大小的DNA測序儀，即英國Oxford Nanopore公司生產的MinION MK 1B，用來對冰層上的微生物進行取樣和測序，不是發送回樣品而是數據。在如此惡劣的環境下生存，意味著微生物已經進化出能夠提供保護的生物化學物質。這些化學物質被稱為次生代謝物，對人類也同樣非常有用。例如，一個群體構成了現代抗生素的基礎。

對嚴酷環境中發現的生物體進行DNA測序，不僅可以讓科學家們增加生物種類目錄，還可以增加已知的能夠產生有用次生代謝物的基因目錄。同樣的，現場進行排序是很重要的，因為在很多方面，它使傳統的冒險生物學重新出現。維多利亞時代的植物學家會到喜馬拉雅山東部去帶回罕見的蘭花，而如今的遺傳學家正前往極端之地帶回基因。

但是，作為喬治敦大學的行星科學助理教授，約翰遜有另一個理由去研究在惡劣環境中生存的微生物，那就是為將來探索火星生命做準備。她解釋說：「對於南極來說，微生物非常重要。而它是地球上最像火星的地方。這很重要，因為我們在地球上發現的微生物有可能曾經在火星上居住過。

當這顆紅色行星上還有液態水流動的時候，小行星的撞擊導致來自火星和地球上的岩石相互撞擊。我們可以確定，這些岩石沿著兩顆行星的方向飛行，所以微生物的生命也有可能隨之而去。在火星上，即使水蒸發或冰凍之後，生命也可能存活下來。而在南極洲，同樣存在這種可能。也許埋在火星碎石下面，有些類似的東西正等待著被發現。

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