使用拉曼‑SIP捕捉的微生物生长速率揭示由蛇纹石化驱动的高活性浅地表下生物圈

隐藏在深岩中的生命

在我们脚下深处，在已抬升至陆地的古老海洋地壳的黑暗断裂中，微生物悄然活动着。这些微小生物生活在渗透过富铁岩石并发生反应产生氢气及其他富能分子的地下水中。直到现在，科学家们普遍认为在这些严酷、碱性水体中的生命以地质学般缓慢的速度前行。本研究则显示，许多这样的地下微生物可以在天到月的尺度上生长，重塑了我们对地球隐藏生物圈及其在未来氢能和碳封存项目中作用的认识。

石头世界中的奇异水体

在阿曼的萨迈尔蛇纹岩套中，以前的海底地幔片段如今暴露在陆地上。雨水和地下水渗入裂缝，与超基性岩石发生反应，这一过程称为蛇纹石化。随着水体渗入更深处，碱度升高，氢气和甲烷含量增多，而溶解碳和其他营养物质则变得稀缺。研究人员从表面下250–270米采集了三类地下水：一种弱碱性、富含溶解碳和氧化剂的流体；一种碱度适中且硫酸盐充足的中间流体；以及一种超碱性、极富氢气和甲烷但溶解碳极度匮乏的流体。这些天然梯度为地下微生物创造出一组对比鲜明的“世界”。

逐细胞衡量微生物的生长

测量地下微生物的生长速度历来极为困难。研究团队没有追踪特定的食物来源，而是使用含有氘的“重水”，氘是氢的较重同位素。因为所有生长的细胞都需要水来合成新生物质，任何正在合成细胞材料的微生物都会在不知不觉中用氘替代一部分常规氢。借助拉曼显微光谱学——一种基于激光的技术，可以读取单个细胞内部的化学振动——科学家能检测到每个单细胞吸收了多少氘。据此，他们推断了两千多个个体微生物的生长速率和代谢代数时间，而无需事先知道这些微生物的身份或食谱。

出乎意料的快速生长者

逐细胞测量显示了一个出人意料的繁忙地下生物圈。在弱碱性和中等碱性水体中，大多数细胞都处于活跃状态，其中很大一部分为快速生长者，代谢代数时间在天到周的量级。即便没有额外添加食物，许多细胞在两周内就实现了翻倍。与之鲜明对比的是，超碱性流体——其pH接近家用下水道清洁剂的水平且溶解无机碳极为缺乏——中群落生长较慢，典型的代谢代数时间拉长到数月甚至数年。尽管如此，即便在这些极端水体中，也有一部分不可忽视的细胞显然是活跃并具增长能力的。

将岩石化学转化为甲烷的微生物

DNA测序显示，经孵育后产甲烷的古细菌（产甲烷菌）和硫酸盐还原微生物主导了群落。随时间追踪甲烷和硫化物的产生量证实，这些群体不仅存在，而且代谢上非常活跃。甲烷在较不碱性的水体中累积最快，随着pH升高其速率显著放缓，这表明溶解二氧化碳的稀缺对其构成了限制。当研究者添加碳酸氢盐——一种无机碳形式——许多群落给出了其最快的生长和甲烷产生反应之一。这一反应表明，在这些岩石主导的生态系统中，微生物对利用溶解无机碳十分敏感，即便在大多数碳以较难获取形式被固定的高碱性地下水中亦是如此。

对清洁能源与其他世界的影响

通过将单细胞生长测量与细胞数量和甲烷产量估算相结合，作者们计算出在整个岩石贮层尺度上地下微生物可能消耗的氢气量。结果表明，蛇纹石化岩石中的微生物群落可能会比氢气逸散到地表更快地利用掉这些氢气，并能将显著比例的氢气和注入的二氧化碳转化为甲烷和硫化物。对于采集“地质氢”或在此类岩石中储存二氧化碳的方案而言，这意味着本地微生物可能会大幅改变化学环境，既带来风险也带来机遇。更广泛地说，在这些深处、碱性岩石中生命既能活跃又具适应性的发现，加强了这样一种观点：类似的岩—水系统在火星或冰封卫星等天体上也可能孕育可被探测的生物圈。

引用: Kashyap, S., Caro, T.A. & Templeton, A.S. Microbial growth rates captured using Raman-SIP reveal a highly active subsurface biosphere fueled by serpentinization. Nat Commun 17, 4128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70622-w

关键词: 地下微生物学, 蛇纹石化, 地质氢气, 产甲烷作用, 生物圈可居性