火星上是否存在微生物？这片沙漠或可给你答案
阿塔卡马沙漠是一片位于南美洲西海岸中部的沙漠地区，极度干旱，并一直被认为是一片几乎没有生命的荒原，只适合开采矿产和贵金属。然而，对一些研究人员来说，这是一个值得保护的微生物金矿。
今天，我们共同关注阿塔卡马沙漠中的微生物。希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。
古老沙漠中的小生命
Benito Gómez-Silva的周围什么都没有。放眼望去，既没有植物点缀其中，也没有动物在这片延绵到远处山脚下的盐碱地上漫步。除了几缕微弱的云缓慢地掠过炽热的太阳，这里没有任何东西在移动。所有风景完全由泥土和岩石构成。
不难想象，为什么187年前查尔斯·达尔文会望着这片空旷之地——智利北部的阿塔卡马沙漠，宣布这是一个“什么都不可能存在”的地方。
事实上，尽管有分散的水源支持着一些植物和动物的生存，但一个多世纪以来，大多数科学家都认同达尔文的结论：在阿塔卡马沙漠最干燥的地区，也就是极度干旱的核心地区，即使是最具适应性的生命形式也无法生存。
但是达尔文错了，这就是Gómez-Silva来到这片沙漠的原因。
为了抵御一天中最酷热的时间，研究人员在黎明前起床，并开车前往阿塔卡马沙漠的中心，一路上地面上的植物和建筑变得越来越少，周边变得越来越荒凉。在沙漠中心，安托法加斯塔大学沙漠微生物学家将寻找一种微型真菌，他希望将其分离并让其在他的实验室中生长。
虽然阿塔卡马沙漠是地球上除极地外最干燥的地区，但Gómez-Silva知道这里有水，就藏在周围的盐岩中。就像厨房摇瓶里的盐会在潮湿的天气里吸收水分一样，盐岩也会吸收少量被吹进来的夜间海雾。然后，有时只需要几个小时，微小的水珠就可以在盐的纳米孔中聚合，形成“微小的游泳池”，Gómez-Silva说，这是微生物在岩石中找到的避难所。
当水分和阳光均具备，这些真菌开始进行光合作用，并不断壮大它们的队伍——在盐岩表面上形成可见的细暗线条。
Gómez-Silva使用锤子的背面轻轻一敲，便敲下了一些上面有特别标记的小石头。这些石头将被送往他的实验室，他的团队将分解它们，提取其中的微生物，并尝试使用实验室的培养皿来培养这些微生物。
Gómez-Silva是一支小而强大的研究队伍中的一员，这支队伍要在世界上最古老的沙漠中寻找活着的微生物。
这个地方自从一亿五千万年前，侏罗纪晚期恐龙时代以来就一直很干燥。除了缺水之外，任何想在这里生存的生物都面临着一系列挑战：强烈的太阳辐射、高浓度的有毒化学物质和稀缺的关键营养元素。然而，即使如此，不寻常的和微小的生物确实会在此生长，像Gómez-Silva这样的研究人员说，科学家可以从它们身上学习到很多东西。
他说，要解开这些秘密，就必须改变世界对阿塔卡马沙漠的看法，这个地区在历史上因开采珍贵矿物而闻名。
Gómez-Silva是几位认为阿塔卡马沙漠应该被珍视的研究人员之一，因为这里是一个存在着未知生命形式的地方。探索生存在这里的嗜极生物有可能可以帮助我们开发新的生物技术工具，回答关于生命起源的问题，并指导我们如何在其他星球上寻找生命。
“几个世纪以来，阿塔卡马沙漠都是‘死气沉沉的’，”Gómez-Silva说，“然而，我们需要改变这种观念，因为那里充满了微生物。你只需要知道去哪里找。”
图1. 多种因素造成了阿塔卡马地区的极端干燥环境。
阿塔卡马地区的东面，大约沿着南美洲海岸绵延600英里是安第斯山脉的阿尔蒂普拉诺高原，那里有火山分布，其西面则是智利的太平洋海岸。这片沙漠的面积与古巴大致相当，气候多变，环境恶劣。
然而，尽管荒凉，分散在这片区域的美景却吸引着来自世界各地的游客。在Gómez-Silva所在的大学以东约150英里的圣佩德罗镇附近是阿塔卡马地区的著名景点——月亮谷。在这里，你可能会碰到迁徙途中停在拉古纳湖歇息的火烈鸟，你还能看到智利地热谷的间歇泉。
阿塔卡马沙漠还包括了一系列高原，海拔从海平面左右到超过11000英尺，使其成为世界上最高的沙漠之一。各种国际天文台利用这一海拔高度和沙漠地带创纪录的低湿度来拍摄清晰的恒星照片。
阿塔卡马沙漠的恶劣环境源于其边界地貌。来自东部的风暴很少会突破安第斯山脉的高耸山峰，而来自南极洲的上升水流使智利海岸线上的空气变冷，阻碍了它将水分带入内陆。
这片沙漠的许多地方每年即使有降雨，降雨量也只有几毫米。位于秘鲁边境下方的阿塔卡马沙漠城市阿里卡保持着世界上最长干旱期记录——研究人员认为，在20世纪初，在超过14年的时间里，其境内没有一滴水。
没有水，生物很难生存：细胞萎缩，蛋白质分解，细胞成分不能移动。沙漠高海拔地区的大气无法阻挡太阳的有害射线。此外，流动水的缺乏为采矿公司留下了宝贵的金属，而这意味着生态系统中营养物质的分配受到限制，有毒化合物的稀释也受到限制。
沙漠中存在水的地方——通常是由地下河流形成的季节性盆地——它们往往含有高浓度的盐、金属等元素，包括砷，这些元素对许多细胞而言都是有毒的。设法在该地区生存下来的沙漠植物和动物通常分布在沙漠的外围或沙漠中分散的雾都绿洲之中。
19世纪50年代，在智利政府的要求下，德国裔智利博物学家Rodulfo Philippi在阿塔卡马沙漠进行了一次探险，他第一次记录了许多生活在阿塔卡马沙漠中不那么极端的地方的动植物。在感受了这种极度的荒凉之后，他强调，这沙漠的价值在于采矿，尽管他也认为该地区的荒凉会为挖掘矿物带来巨大的挑战。
阿塔卡马地区丰富的矿产让智利想要得到这片土地。智利在与秘鲁和玻利维亚的血腥战争中吞并了阿塔卡马，这场长达五年的战争于1883年结束。当时，这三个国家正在争夺对硝石的控制权。硝石是用于制造化肥和炸药的硝酸盐的来源，当时被戏称为“白色黄金”，因为全球需求巨大。
在20世纪后半叶，地下硝石失去了吸引力，因为当时科学家们发现了一种工业制造硝酸盐的方法，因此不再需要挖掘硝酸盐。这意味着硝石矿和周围城镇的灭亡。但阿塔卡马的采矿业仍在蓬勃发展：如今，智利是世界上最大的铜出口国，也是最大的锂出口国，同时也是银和铁等贵重金属和矿产的主要供应国。
采矿在整个阿塔卡马沙漠都留下了印记。从太空上看，阿塔卡马盐沼，一个面积几乎是纽约市四倍的盐碱地，显示出锂矿的浅色斑纹。金矿和铜矿则以牛角状出现，在沙漠表面留下疤痕。
在地面上，也不难发现该地区采矿历史的遗迹。在云盖（Yungay）地区，Gómez-Silver收集真菌斑纹盐岩的附近，有一个墓地，里面的坟墓可以追溯到19世纪到20世纪中期，里面埋葬着那些已被废弃的硝石矿的工人和他们的家人。
“这里的生活不容易”，Gómez-Silva说，他低头看着那些在那段时间死去的孩子们的墓碑。
图2. 阿塔卡马南部的布拉瓦湖，这个盐湖富含砷和硫。一些微生物在这一条件下茁壮成长，并形成大型的紫红色的微生物垫。
沿着一条土路开一小段路，穿过许多的泥土和小石块，曾经的科学遗迹在清晨的烈日下炙烤着。
1994年，在美国国家航空航天局（NASA）的支持下，安托法加斯塔大学在云盖区建立了一个小型工作站，美国国家航空航天局的天文学家对阿塔卡马类似火星的严酷环境很感兴趣。
虽然工作站只得到了短短几年的资助，但即使在它被废弃之后，那些简单的建筑和周围脆弱的树木，仍然充当着一个没有服务的前哨站，供来自世界各地的研究人员研究，他们想知道生命能否及如何在如此荒凉的条件下生存下去。
在工作站曾经的实验室和厨房的墙上，Gómez-Silva指出了近20年来访问的研究人员在上面留下的名字。Gómez-Silva职业生涯的大部分时间都是在安托法加斯塔度过的，他深深地记得许多访客，其中一些人已经发表了关于沙漠中生命极限的重要研究。
“当我们2001年来到工作站时，我们带来了各种所需的物资设备：淋浴、厕所、发电机、水泵、厨房水槽……”Chris McKay回忆道，他是美国硅谷的NASA艾姆斯研究中心的太空物理学家。他用墨水写在云盖研究站墙上的名字至今可见。
尽管条件简陋还缺水，“但是，这是神奇的，”他说，“晚饭后我们会坐在一起谈论科学。没有电话，没有网络，只有我们。”
20世纪60年代中期，美国宇航局的研究人员就开始研究生命是否可能在这片地区的土壤和岩石中生存。然而直到2003年，有一篇备受瞩目的论文详细阐述了为什么沙漠是火星的良好模拟场所，从此这一地区的微生物研究才真正开始腾飞。从那时起，随着生态学、遗传学和微生物学等领域的科学家们的加入，关于阿塔卡马地区的研究稳步增加。
不过，科学家们只是触及了表面。安托法加斯塔大学的微生物学家Cristina Dorador说，这里的大部分生命仍是未知的。Dorador是参与起草智利新宪法的155名民选代表之一，新宪法目前正在等待公众投票。
Dorador加入智利宪法会议的部分目的，她说，是为了帮助提高保护和研究稀有环境的重要性，比如阿塔卡马地区，传统上，这些环境的价值只有开采矿产资源。
Dorador说:“当一个国家做出经济决策时，他们不会考虑细菌的问题。我正在努力传达为什么了解和保护这些生态系统很重要。”
Dorador研究了在阿塔卡马盐沼或盐滩的地壳下生长的微生物垫（microbial mats）。
从这些微生物垫上切下一片，就会得到一份奇怪的凝胶状“千层面”。在这道可以长到几厘米厚、参杂着细胞渗出的黏液的“意大利面”中，生活着数百万种不同类型的微生物。
这些细菌聚集在一起，形成颜色鲜明且多样的层次：紫色层通常代表无需氧气的细菌；明亮的绿色层通常代表着可以产生氧气的细菌。其他颜色则暗示着可以从周围环境中捕获氮，产生恶臭的硫，或向空气中释放甲烷或二氧化碳的细菌。
这种分层形成了一个群落，不同菌种形成共生关系，利用着彼此的化学副产品。有时，层次会根据变化的条件重新排列，就像植物可能会倾斜叶片，以更好地捕捉阳光。“它们是我在这个世界上最喜欢的东西之一。”Dorador说。
它们也是一台时光机，因为科学家们认为这个分层的群落看起来非常像地球上最早的生态系统。随着它们的生长，一些微生物垫形成了分层的沉积物，这些沉积物可以形成化石从而被保留，这种化石被称为叠层石。其中最古老的叠层石可以追溯到37亿年前，那时地球的大气层还没有氧气。
因此，在世界各地的极端环境中发现的“活”的微生物垫，对试图解答生命是如何形成的谜题的研究人员来说，有很大的吸引力。
康涅狄格大学的天体生物学家Pieter Visscher就是其中一名研究人员。他和同事们一起从叠层石化石和现代微生物垫上收集了证据，表明早期地球上的微生物可能用砷来进行光合作用，而不是用当时还没有出现在大气中的氧气。
在他的整个职业生涯中，一直被一个重大的难题所困扰，即试图将今天的微生物垫与叠层石联系起来。他说，它们周围水域中的氧气总是意味着，他研究的自然形成的微生物垫不能真正向他展示这些早期生命形式是如何运作的。
后来，在2012年与阿根廷和智利同事的一次旅行中，Visscher在阿塔卡马地区的布拉瓦湖表面下发现了他要寻找的东西——一个充满活力的紫色微生物垫。
布拉瓦湖是一个高度盐碱湖，海拔超过7500英尺。与之前研究的微生物垫不同，Visscher当时无法在布拉瓦湖或其周围水域中检测到氧气，而且在随后的多次访问中（一年中的不同时间）也都无法检测到氧气。因此，它们提供了一个理想的自然实验室，他说，这支持了砷对早期生命的重要性。
他说：“为了找到正确的模拟器，我已经寻找了30多年。这种亮紫色的微生物垫可能很早就存在于地球上——28亿到30亿年前。”
图3. 来自阿塔卡马的样本中藏有能够从岩石中提取水的微生物。
在阿塔卡马沙漠，创造性的生存策略比比皆是，吸引着渴望了解生命是如何随着时间的推移而变化的科学家们。
2010年，一个智利团队报告称，在阿塔卡马海岸的一个恰好可以“吞噬”清晨雾气的洞穴中，发现了一种以蜘蛛网上收集的露水为生的新微生物物种——杜氏盐藻（Dunaliella），一种绿色的单细胞藻类，这是第一个发现存活于水生环境外的属。它的发现者认为它的适应性可能就像原始植物第一次定植于陆地时所做的那样。
其他微生物也在积极地寻找水。2020年，美国科学家在PNAS杂志上描述了一种生活在石膏岩石中的细菌，其分泌的一种物质可以溶解周围的矿物质，从而释放出存在于岩石中的单个水分子。
“它们几乎就像矿工一样……在挖水，”加州大学欧文分校的化学和环境工程师、该研究的作者之一David Kisailus说，“它们可以搜索并找到水，然后从这些岩石中提取水。”
Kisailus说，像这样的例子只是阿塔卡马的微生物教会我们如何在极端环境下生存的一小部分。这些经验教训可能会让我们在寻找其他星球生命的过程中找到线索，或者帮助我们适应即将到来的环境变化。
这些发现也让Dorador变成了沙漠中微生物保护的倡导者，因为她见证了独特的盐沼生态系统因采矿业和其他行业的缺水而发生巨大变化。
但她说，要为看不见的生命的保护和价值进行辩护是一个挑战。如果人们能亲眼目睹一个细胞在沸水中寻找营养物质，或者在空气变得充满水分时从干燥状态中复活，他们可能会留下深刻的印象，并关心保护这些物种。
但是保存菌种是复杂的。阿塔卡马的极端微生物是如此得特殊，以至于大多数微生物在脱离这片环境后都活不了多久——科学家甚至不能让其中的许多微生物在实验室里存活。
“我们没有一个微生物动物园，”Dorador说，“为了保护微生物，我们必须保护它们的栖息地。”
图4. Rodulfo Philippi在1860年左右画的阿塔卡马。
英国纽卡斯尔大学微生物系统学荣誉退休教授Michael Goodfellow说，微生物保护和探索的争论超越了科学好奇心。
Goodfellow职业生涯的大部分时间都在阿塔卡马、南极洲和深海海沟等极端环境中寻找新的微生物物种，并希望从中找到用于抗生素的新分子。他认为，这种在极端环境下进行的生物勘探应该被视为应对全球即将到来的抗生素耐药性危机的关键战略，全球每年至少有70万人死于抗生素耐药性危机。
在他们早期前往阿塔卡马极度干旱的核心地带的旅程中，Goodfellow和他的同事们并没有真的期望能找到多少，但仍然认为参观这个“被忽视的栖息地”是明智的决定，因为“几乎没有任何相关的工作”。
令他们惊讶的是，他们能够从放线菌群中分离出一小部分土壤细菌。放线菌是全球最常见的土壤微生物之一，长期以来一直是抗生素研究的一个重要焦点。从那时起，对这些微生物的研究已经发现了40多种新分子，其中一些在实验室研究中对常见的致病细菌具有抑制作用。
“我们的假设是，严酷的环境因素选择了产生新化合物的新生物体，”Goodfellow说，“十年后，我认为我们已经证明了这个假设。”
智利费德里科圣玛丽亚技术大学的生物化学家Michael Seeger说，在阿塔卡马这样的沙漠进行生物勘探也可以推动技术应用。
一个关键的例子是，智利约10%的铜产量来自微生物。铜通常存在于金属混合物中，而微生物可以通过侵蚀矿石中的其他物质来帮助提取铜。通过让这些微生物自由地利用采矿过程中留下的堆状材料或只存在微量铜浓度的矿石混合物，铜生产商可以确保在他们的矿区留下很少的铜。
Seeger说，这种以金属为食的微生物必须能够处理高水平的酸性，因为它们产生的酸性废物对许多微生物来说是致命的。为了在高酸性条件下茁壮成长，这些嗜酸菌必须有专门的适应能力，比如专门阻止酸性颗粒的细胞膜，快速将这些有害元素从细胞中分离出来的泵，以及能够快速修复蛋白质和DNA的酶。
阿塔卡马沙漠可能充满了这样具有特殊能力的极端微生物，这些微生物在工业和其他实际用途上将会十分有用，Seeger说，他在研究极端微生物清理石油泄漏和生产生物塑料等方面的潜力。
他说，喜欢砷的微生物可能有助于净化受污染的水源，而耐盐或耐旱微生物中的基因可以被转移到土壤细菌中，从而在一个面临日益沙漠化的国家促进农业发展。
在极端条件下正常工作的蛋白质也有重要的医学应用。例如，如果没有一种可以在极端温度下构建DNA链的细菌酶，就不可能进行新冠病毒PCR检测，这种细菌酶最初是从黄石公园的温泉中提取的。
生物学家希望，对沙漠微生物中具有类似适应性的酶的研究可以在未来带来更多的生物技术突破。Seeger认为，阿塔卡马火山在很多方面都很极端，可能孕育着一些我们不知道的微生物，所以找出那里有什么是至关重要的。
他说：“当你知道你拥有什么时，你就可以考虑用它做什么。”
对于Gómez-Silva来说，他计划继续研究阿塔卡马沙漠有什么。两年来，由于严格的疫情封锁限制，他无法前往沙漠采样地点。现在限制解除了，他很感激能回来。
在云盖地区取样之旅结束后，Gómez-Silva返回卡车，并弯腰捡起最后一块顶部有着一条大深色条纹的盐岩。
“我们怎么能不接受这个呢？很美。” 他说。然后忍不住咯咯地笑起来。“我不知道你是否能在这里看到美，但我可以。”
原文链接：
https://knowablemagazine.org/article/living-world/2022/treasure-hunt-microbes-chile-atacama-desert
作者｜Lindzi Wessel
编译｜朱磊
审校｜617
编辑｜豫小鱼