地球极端陆地环境微生物研究为探索火星生命提供重要参考
地球极端陆地环境微生物研究为探索火星生命提供重要参考
地球以外是否存在生命是人类几个世纪以来探索的谜团。在过去几十年中，科学家们在地球极端环境中发现的微生物极大地拓展了人们对生命耐受极限的认识，并为寻找火星及其他行星的生命提供了科学依据。这些发现为我们理解生命在宇宙中的潜在分布提供了新的视角，并对揭示外星生命的起源和演化具有重要意义。然而，我们的研究仍面临诸多挑战，例如外星环境的复杂性和探测技术的局限性。为了克服这些困难，科学家们正在开发更先进的探测手段和分析方法，以期在未来的探索中取得重要突破。
在探索生命对极端陆地条件的适应机制方面，微生物展现出了非凡的生存能力，极大地增强了我们在火星等外星天体上探寻生命迹象的希望。阿塔卡马沙漠、麦克默多干谷、莫哈维沙漠、纳米布沙漠及柴达木盆地等地，作为地球上模拟火星环境的天然实验室，为研究微生物如何在极端条件下维持生命活动提供了绝佳场所。对这些极端环境中的微生物进行研究，不仅有助于我们在火星上寻找生命的线索，也加深了我们对生命在极端环境下生存极限的认识。
图 1 图文摘要
对于地外生命，特别是对火星生命的探寻，一直是科学家们不懈追求的目标。在探究生命的起源和多样性时，科学家们将注意力转向了地球上的极端环境（图2-3）。这些环境与火星相似，对深入理解火星生命存在的可能性具有至关重要的意义。例如，阿塔卡马沙漠是地球上最古老、最干燥的地区之一，长达1.5亿年的极度干旱状态伴随着强烈的紫外线辐射、高土壤盐分和极低的有机物含量，导致微生物多样性受到极大限制。麦克默多干谷的极端寒冷和强烈的太阳辐射条件与火星表面相似，该地区还发现了高氯酸盐。伊朗卢特沙漠的高温条件以及纳米布沙漠、柴达木盆地和莫哈维沙漠等其他极端干旱地区，为科学家研究极端陆地环境中的微生物提供了更多的视角（图3）。
图 2 极端环境的典例
图 3 全球范围内主要极端环境的分布
地球上的微生物展现出惊人的适应能力，不仅能够在极端温度范围内生存，还能在强紫外线辐射、高盐分和低有机物含量的环境中繁衍。例如，Methanopyrus kandleri-116能够在极端低温的西伯利亚多年冻土中生存，维持细胞结构并保持代谢活性；在阿塔卡马沙漠，微生物即使在强紫外线辐射的环境下仍表现出强大的生存能力。与此同时，一项模拟火星紫外线辐射的研究发现，受到10µm厚尘埃层保护的枯草芽孢杆菌孢子能够在强辐射条件下存活数周甚至数年。此外，外星水源中可能存在高浓度的过氯酸盐，而极端嗜盐菌等微生物能够在这种环境中存活。这些微生物的生存策略揭示了它们在类似火星环境中的潜在生存能力，为研究火星生命提供了重要参考。
图 4 岩石孔隙是微生物在极端环境下的避难所
随着火星环境逐渐变得寒冷和干燥，火星上的洞穴和岩石孔隙不仅能够抵御紫外线辐射，还能为微生物提供相对稳定的水热条件（图4）。这些结构为微生物提供了类似于地球麦克默多干谷和阿塔卡马沙漠的生存条件，使微生物能够抵御外界极端环境的侵袭，因此被认为是潜在的微生物栖息地。这可能有助于维持微生物的休眠状态，使其通过利用多种能源实现适应，从而为理解火星上潜在生命的可能性提供重要线索。
地球极端陆地环境中的微生物揭示了火星生命存在的可能性。例如，化能自养微生物能够从无机物中获取能量，并将碳酸氢盐或二氧化碳转化为可利用的物质，这表明微生物可能或曾经存活于火星上的极端环境（图4）。在这种极端环境下，微生物形成了保护性的生存策略以抵御严酷的生存条件，这对于理解它们如何适应恶劣环境非常重要。此外，火星上的洞穴和岩石孔隙由于其稳定的物理化学条件，可能保存生物标志物，成为寻找火星生命证据的理想场所。通过这些研究，我们能够更好地了解微生物如何在极端环境中生存，从而为寻找火星生命提供更多线索。
总结与展望
过去几十年来，科学家们不断努力探寻外星生命，前往火星的探索任务日益增多。目前，主要挑战包括安全进入火星表面并顺利返回地球，以及定期、及时地收集样本。此外，火星表面的形态结构和矿物组成等特征对追踪可能存在的生命迹象至关重要，但尚未明晰。因此，未来的研究应采用更为先进的技术和方法，且研究过程必须谨慎进行，并全面考虑可能存在的未知后果，特别是防止潜在的污染，以确保科学发现的完整性、真实性和可靠性。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第2卷第4期发表的Review文章“Could microbes inhabiting extreme desert environments be a gateway to life on the Martian surface?” (投稿: 2024-05-23；接收: 2024-08-28；在线刊出: 2024-09-25)。
DOI：https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100091
引用格式：Bahadur A., Sajjad W., Banerjee A., et al. (2024). Could microbes inhabiting extreme desert environments be a gateway to life on the Martian surface? The Innovation Life 2(4):100091.
作者简介
Ali Bahadur 中国科学院西北生态环境资源研究院助理研究员，在Environmental Research, Communications Earth & Environment, Ecological Indicators和Journal of Experimental Botany等发表论文50余篇，参编专著1部，曾获兰州大学优秀博士学位论文奖、中国政府奖学金、中国政府优秀来华留学生奖、中国科学院国际人才计划（PIFI）博士后奖学金。