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波士顿大学生物学家杰弗里·马洛访问了地球上最极端的栖息地，以了解微生物群落是如何形成的
冰岛的Fagradalsfjall火山于2021年爆发，并于2022年8月再次爆发，这给了像波士顿大学生物学家Jeffrey Marlow实验室的科学家们——包括博士生Peter Schroedl（前景）——进行微生物生命起源澳门威尼斯人注册网站研究的绝佳机会。图片由Schroedl提供
对极端生命的探索——微生物能告诉我们地球和太空中的生命
波士顿大学生物学家杰弗里·马洛访问了地球上最恶劣的栖息地，以了解微生物群落是如何形成的
微生物无处不在，从土壤到空气，从北极冰到海洋，湖泊和河流，更不用说你的身体和你现在使用的电话或电脑。
“很难找到一个没有微生物的地方，”波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授杰弗里·j·马洛（Jeffrey J. Marlow）说。但也有例外：极端环境——熔岩和深海喷口喷出的沸水——这些地方没有微生物，马洛和他的团队有机会澳门威尼斯人注册网站研究这些生物是如何生存和随时间变化的。例如，微生物在一块冷却的熔融岩石中生存需要多长时间？它们又从何而来？
微生物——单细胞生物，如细菌和古细菌——帮助维持地球上的生命，推动营养循环，分解有机物质和化学物质，并产生氧气。它们也会引起感染，但绝大多数是中性的。了解这些看不见却不可或缺的生物群落可以帮助科学家解开地球上生命的起源之谜——最古老的化石记录，可以追溯到35亿年前，是微生物的痕迹——并为在其他星球上寻找生命提供指导。
生命遍布地球，迅速改变新的栖息地。然而，微生物如何以及多快地控制新环境的细节从未在持续的时间间隔内被观察到，”彼得·施罗德（GRS ' 25）说，他是波士顿大学生态学、行为和进化项目的博士生，在马洛的实验室工作。
尊重一座活火山
在过去的一年里，马洛、施罗德和其他实验室成员一直在为一个记录新形成岩石上微生物栖息地的项目奠定基础。他们与学生艾琳·弗拉茨（26届毕业生）和迪伦·曼克尔（27届毕业生）一起前往世界上最极端的环境之一：一座活火山。
2021年，冰岛的Fagradalsfjall火山在休眠781年后再次爆发。然后，它在2022年8月再次爆发。当然，当地人和游客都冲到现场拍下了史诗般的照片。但对于澳门威尼斯人注册网站研究人员来说，这提供了一个难得的机会来收集新鲜的岩石样本，并近距离观察我们星球的熔融内部。马洛和他的学生团队在第二次火山喷发前几周去了火山遗址，当时土地仍然很热，熔岩仍然从第一次火山喷发中滴入地下。
“杰夫拿了一块我们正在取样的岩石，把它放在一个袋子里，袋子开始融化，”弗雷茨说。她是一名在马洛实验室澳门威尼斯人注册网站研究微生物多样性及其代谢活动的二年级博士生。她和队友们穿过远离游客的熔岩场边缘，凿开硬化的玄武岩块。
他们在那里的那一周，团队收集了样本，孵育和保存，并将它们带回波士顿，同时确保它们没有被污染。
一旦熔岩冷却并硬化成岩石，微生物就可以进入——但这需要多长时间？他们是谁？它们来自哪里？马洛和他的团队正在观察出现了什么类型的微生物群落，最终，是什么特殊的环境和生物因素使一块火山岩成为森林或另一个发达的生态系统。
“生命能够并且积极地自己进行化学反应，这一事实令人惊讶；这就像魔法一样，”弗雷茨说。“微生物是微小的化学家。”
生命能够并且积极地自己进行化学反应的事实是惊人的；就像魔法一样。
马洛说，过去，澳门威尼斯人注册网站研究人员发现，微生物进入新形成的岩石只需要不到四个月的时间，但除此之外的细节还没有得到很好的记录。在实验室里，这些闪烁着绿色和蓝色斑点的岩石正在等待DNA和矿物成分分析。这将澄清在岩石形成10个月后被发现时存在哪些微生物。由于与亚利桑那大学的合作伙伴索兰吉·杜哈梅尔的合作，该团队也有几天或几周前的样本。澳门威尼斯人注册网站研究人员计划返回火山，再采集一批样本，看看微生物群落在他们访问后的一年中是如何变化的。
Schroedl说：“我们的工作提供了一个机会，利用持续的火山喷发作为理想的自然实验室，来了解微生物是如何控制非生物环境的。”在马洛的团队离开后，他继续留在那里几周，继续与美国宇航局的RAVEN项目进行澳门威尼斯人注册网站研究，该项目在冰岛的熔岩场测试无人机，为未来的火星探测做准备。他在那里见证了一年多沉寂后的Fagradalsfjall的生机，并借此机会收集了更多的样本。
“咆哮一点也不夸张，”施罗德说。“近距离接触一座喷发的火山是一种罕见的特权，尊重火山，尊重这种罕见对我来说至关重要。”
水下化学
在绕冰岛火山徒步几周后，马洛将自己投入了另一个极端环境。同年夏天，他乘坐伍兹霍尔海洋澳门威尼斯人注册网站研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的阿尔文（Alvin）潜水器，在加勒比海5000多米的海底探险，该潜水器最近达到了6500米的历史深度。马洛与来自世界各地的科学家一起参加了为期两周的航行，以测试潜水器的科学能力。他还从中开曼扩散中心收集了样本。中开曼扩散中心是一个洋中脊区域，两个构造板块正在缓慢分离，物质从内部喷涌而出，使其成为热液喷口的热点。
科学家们认为，热液喷口——基本上是水下火山——是最早微生物的繁殖地。这些喷口是化学物质、沉积物和来自地球深处的热液体的混合物，与凉爽的海水混合在一起——喷口的液体可以达到400摄氏度，而海水只有4摄氏度，这就导致了仅仅几英寸的巨大温差。马洛希望找到微生物能够在这种条件下生存的门槛。
在潜水期间，他检查了海底深处的新构造活动，而其他潜水则回收了热液喷口烟囱的大块，这些烟囱主要由铜、硫和其他金属组成。
回到实验室后，马洛将碳、氮或氨基酸等原料与样品材料混合，以追踪微生物对添加成分的食用和分解，从而为微生物的丰度和活动提供线索。目前，喷口样本被密封起来，等待澳门威尼斯人注册网站研究。他对代谢甲烷的微生物特别感兴趣，这种微生物被称为厌氧甲烷氧化菌。在2021年的一篇论文中，马洛和一组科学家澳门威尼斯人注册网站研究了四种不同的海洋甲烷渗漏，即墨西哥湾、美国大西洋边缘、瓜马斯盆地和加利福尼亚海岸的海底沉积物中甲烷气体泄漏的地方。他们发现，之前的澳门威尼斯人注册网站研究大大低估了以岩石为基础的甲烷氧化菌的甲烷消耗量。
“甲烷是一种非常强的温室气体，有水生微生物在甲烷到达水面之前吃掉它，”马洛说。他说，水下释放的大约80%的甲烷被微生物吞噬，从而避免了这些气体进入大气。
“微生物是世界上最好的化学家，当我们与它们合作时，我们可以完成真正壮观的壮举，”Schroedl说。如果不是1966年的发现，我们就不会有COVID-19测试，这种测试使用的酶首先是在黄石湖发现的一种耐热微生物中发现的。在减少温室气体排放方面，马洛认为甲烷氧化菌可以作为一种隔离和调节甲烷气体的方法进行澳门威尼斯人注册网站研究。
除了我们自己的星球，科学家们正在使用在极端环境中发现的微生物作为模板，在其他行星和卫星上寻找单细胞生命——因为沙漠、火山和海底喷口是我们与火星和土星最大的卫星土卫六最相似的地方。这被广泛称为天体生物学，这是一个通过澳门威尼斯人注册网站研究地球系统来寻找可能的外星生命的领域。通过继续在最恶劣的地方寻找早期微生物，马洛和他的团队希望为了解地球上乃至更远的生命做出更多贡献。
“正在发生的事情，即使看起来看不见，仍然直接影响着整个地球，”弗雷茨说。“探索有其内在价值。”
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