細菌在鹹水防凍劑中的存活增加了在火星和冰凍衛星上生存的希望

一個跨大西洋科學家小組的新研究表明：細菌可以在火星、土衛二、歐羅巴（木衛六）、冥王星等地存在的含鹽化學物質中生存。在木星的衛星歐羅巴（木衛六）上發現羽流和地下海洋，在火星上發現有機物質，在土星的衛星土衛二的海洋中發現熱液噴口的可能性，使人類離在其他地方發現生命更近了一步。這樣的生命必須能夠承受極端環境，而先前的研究表明，各種類型的細菌都可以。一些遠離太陽的天體上液體海洋冰點較低，因為化學物質和鹽可以起到防凍劑的作用，所以微生物必須在溫度和元素的共同作用下生存。

噴流從土星的衛星土衛二噴出鹹水蒸汽和冰，水、鹽和溫度的混合能讓生命存在嗎？圖片：NASA/JPL–Caltech/Space Science Institute

為了放大微生物生存能力的參數，來自柏林工業大學、塔夫茨大學、倫敦帝國理工學院和華盛頓州立大學的研究人員對一種在北極永久凍土中發現的嗜鹽球菌進行了測試。他們將細菌置於鈉、鎂和氯化鈣混合物以及高氯酸鹽溶液中，高氯酸鹽是一種化學化合物，可以幫助火星在夏季維持液態水。柏林科技大學天文與天體物理中心的首席作者Jacob Heinz說：研究人員已經超越了傳統的氯化鈉溶液，因為火星上的物質遠不止這些。

對生命的毒性

由於高氯酸鹽在高濃度下是有毒的，研究人員想要確定它們是否、數量和濃度可能會抑制細菌的生存能力。高氯酸鹽中細菌的存活率遠低於其他所有溶液，儘管在零下30攝氏度(零下22華氏度)的低溫下，存活率略高。亨氏解釋說，對於高氯酸鹽來說，最低的冰點降低——溶質降低溶液凍結溫度的程度——需要總溶液質量的50%，這比其他氯化物的冰點降低要高得令人難以置信。考慮到它的毒性，細菌在高氯酸鹽溶液中的低存活率並不令人驚訝。這是否意味著火星不能支持微生物生活？生命仍然有可能存在，高氯酸鹽的存在「不會阻止火星或其他地方的生命」。百分之十的高氯酸鹽溶液中的細菌仍然可以生長。火星的表層土壤含有不到1%的高氯酸鹽，但溶液中的鹽濃度與土壤中的鹽濃度不同。

適應生存

液體高氯酸鹽溶液也可以被稀釋，以增加細菌的生存能力，儘管濃度和溫度必須保持平衡。主要研究微生物生態學和行星宜居性的特蕾莎·費舍爾是亞利桑那州立大學地球與空間探索學院一名博士生說：像智利的阿塔卡馬沙漠(世界上最乾燥的環境)和南極洲的部分地區的高氯酸鹽含量相對較高。如果微生物沒有進化出一種處理這種毒性的方法，我會感到驚訝。一般來說，低溫會提高微生物的生存能力，但溫度並不是一個「萬能的」因素——微生物的類型和化學溶液的組成也決定了存活的最佳位置。研究人員發現氯化鈉溶液中的細菌在室溫下兩周內死亡。在4攝氏度時，細菌的存活率提高了，一旦溫度達到零下15攝氏度(5華氏度)，幾乎所有的細菌都存活了下來。

木星衛星歐羅巴地下海洋豐富的鹽和懷疑，在鹽水到達表面的場合，這是暴露在高能粒子被困在木星的輻射帶,把鹽沉積在表面從白色到淡黃色棕色。圖片：NASA/JPL–Caltech

NaCl的冰點(-21攝氏度/ -5.8華氏度)高於其他鹽，在鎂和氯化鈣溶液中的細菌在零下30攝氏度(零下22華氏度)有很高的存活率。這並不奇怪，因「所有的反應，包括殺死細胞的反應，在較低的溫度下都較慢，但是在高氯酸鹽溶液的較低溫度下細菌的生存能力並沒有增加多少，而在氯化鈣溶液中較低的溫度可以顯著提高細菌生存能力。結果表明，三種常用的鹽水溶劑也存在差異。氯化鈣(CaCl2)中的細菌存活率明顯低於氯化鈉(NaCl)和氯化鎂(MgCl2)在4到25攝氏度之間的細菌存活率，但較低的溫度提高了這三種細菌的存活率。研究人員對這些細菌進行了多次凍融循環，從25攝氏度(77華氏度)到50攝氏度(-58華氏度)不等。

根據火星上的地理位置，火星的表面溫度可以經歷一些非常劇烈的變化，包括晝夜變化和季節性變化。火星上的平均溫度約為-60攝氏度(-76華氏度)，兩極溫度降至-125攝氏度(-193華氏度)。因此，為了生存細菌需要能夠忍受極端的波動。一般來說，鹽度溶液可以提高凍融存活率，細菌在壓力下會產生休克反應。它們製造特定的蛋白質，幫助它們調整、生存和應對有害環境。添加10%的氯化鈉會使微生物的死亡率從20%降低到7%，並增加凍融循環的數量，細菌可以維持在70到200之間。細菌製造穩定的蛋白質作為對惡劣環境的衝擊反應，但是細菌能產生的衝擊蛋白質只有這麼多。

不同鹽-氯化鈉(NaCl)、氯化鎂(MgCl2)和氯化鈣(CaCl2)中細菌的存活率。一般來說溫度越低，它們存活的時間就越長。圖片：J. Heinz et al

生存與成長

雖然這項研究提供了外星微生物的可能性，研究人員強調生存和繁榮的區別。細菌在某些條件下生存並不意味著它們真的在生長。目前正在進行另一項研究，以確定不同溫度下不同濃度的鹽對細菌繁殖的影響。生存與成長是一個非常重要的區別，但生活仍然讓我們感到驚訝。有些細菌不僅能在低溫下生存，而且還需要它們進行新陳代謝和繁殖。我們應該盡量不偏不倚地假設一個有機體需要什麼才能茁壯成長，而不僅僅是生存。探索各種鹽溶液、濃度和溫度的研究有助於科學家集中尋找生命，或者至少不排除微生物在有毒高氯酸鹽中存活的可能性。其他變數也會影響對生命的尋找，比如細菌抵禦輻射的能力或極端的大氣壓。甚至可能還有一些我們還不知道的因素，但是隨著每一項研究的進行，我們就少了一個大海撈針。

博科園-科學科普｜參考期刊：天體生物學

博科園-傳遞宇宙科學之美

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！