您是否曾經(jīng)想過一杯水里究竟有多少水分子？您是否思考過我們身邊還生存著許多看不見的生命？地球上的微生物，小得讓您難以想象，卻數(shù)量眾多。不僅如此，它們還有一個(gè)龐大的家族，既有介于化學(xué)分子與細(xì)胞生命之間的病毒，也有介于真菌與動(dòng)物之間的黏菌，更有介于植物與動(dòng)物之間的綠眼蟲等。如此看來，微生物就是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體，既渺小又龐大，既平庸又神奇。今日，我們帶您認(rèn)識(shí)微生物大家族中的“特種部隊(duì)”——嗜極微生物。

生命自從在地球上起源，就不斷地拓展其生態(tài)領(lǐng)地。有些微生物特別能折騰，它們不滿足于地表正常環(huán)境下索然無味的生活，嗜好徜徉在一些極端環(huán)境里。除了人們司空見慣的地球表層生物圈，微生物還向深部開疆?dāng)U土，私自建立了一支神秘的“特種部隊(duì)”——深部生物圈。深部生物圈是指分布在陸地表面以下、深部海洋或者海底沉積物以下，不依賴陽光為能量來源的生物圈。深部生物圈也被稱為黑暗生物圈，主要由嗜極微生物組成 。顧名思義，“嗜極”就是嗜好極端物理化學(xué)條件。這些微生物適應(yīng)力極強(qiáng)，可以挑戰(zhàn)各種極限條件，堪稱微生物界的“特種部隊(duì)”。一般的微生物想在那里活下去還不是那么容易呢！目前，人們?cè)诘叵?000～4000 米處分離出了一些新的極端微生物。當(dāng)然，這個(gè)深度紀(jì)錄會(huì)不斷地被刷新。

其實(shí)，這支“特種部隊(duì)”生活的深部環(huán)境，就是一個(gè)黑暗、缺水、低氧、寡營養(yǎng)的“地下煉獄”，微生物能在那里存活，堪稱生命的奇跡。這微生物顯然身懷獨(dú)門絕技，個(gè)個(gè)武藝高強(qiáng)，它們因擁有特殊功能的酶，能應(yīng)對(duì)各種有害的極端條件。在地下深部巖石中，能夠維系微生物生活的有機(jī)質(zhì)極少，能量來源也極其匱乏，微生物如同武俠小說中的辟谷居士，“靜心養(yǎng)神”，緩慢地消耗食物。那么，它們的代謝能力到底有多強(qiáng)？研究發(fā)現(xiàn)，這些微生物的代謝速率要比表層系統(tǒng)的微生物緩慢得多。例如，大陸深部地下微生物要比大陸地表微生物的碳代謝速率低4 個(gè)數(shù)量級(jí)（J?rgensen，2011）。微生物為了適應(yīng)極端環(huán)境而表現(xiàn)出如此緩慢的代謝能力，是否讓那些努力瘦身的人大為驚嘆呢？

如果說微生物“特種部隊(duì)”如此緩慢的代謝能力還不能讓您驚嘆的話，那么它們作為地球的“長壽之王”也許可以讓您驚奇吧，用“壽比南山”來形容它們，一點(diǎn)也不為過。這些嗜極微生物到底有多長壽？人們已經(jīng)從年齡高達(dá)100 萬～1 億年的深部地下水或冰層中分離出了一些新發(fā)現(xiàn)的極端微生物，這意味著它們至少已經(jīng)活了100 萬年。特別地，微生物為了適應(yīng)極端環(huán)境條件可以說是“拼了老命”，往往只以芽孢的形式存在，細(xì)菌芽孢可以說是目前地球上已知的最強(qiáng)壯的細(xì)胞。人們已經(jīng)從海底2200 萬年的沉積物乃至2.5 億年的巖鹽晶體中提取到活性芽孢（Lomstein et al.，2012）。這意味著微生物可以以芽孢的形式存活數(shù)億年。大自然到處都是謎，小小的微生物更是如此。

您也許會(huì)問：這支“特種部隊(duì)”到底有多大規(guī)模，深部生物圈到底有多大生物量？目前，對(duì)深部生物圈生物量的估算偏差很大，總體認(rèn)為一般占地球生物總有機(jī)碳量的2%～19%（McMahon and Parnell，2014）。作為一支“特種部隊(duì)”，深部生物圈生物量能達(dá)到這樣的規(guī)模已經(jīng)很可觀了。隨著從表層往下深度的不斷加大，總體生物量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)形式降低的趨勢。例如，在海底表層1 米的沉積物中，微生物細(xì)胞的豐度為109 個(gè)細(xì)胞/厘米3；而在深度500 米的沉積物中，微生物細(xì)胞的豐度則降低到106 個(gè)細(xì)胞/ 厘米3（Parkes et al.，2000）。

微生物在地球深部訓(xùn)練出來的這支神秘“特種部隊(duì)”，對(duì)人類而言非常重要。在深部環(huán)境，一些物理化學(xué)條件往往都比較極端，因而深部生物圈代表著地球早期極端環(huán)境下的生命特征。研究深部生物圈不僅有助于人們了解地球早期的生命起源，也能為在火星等外星天體上尋找生命提供線索。研究深部生物圈還對(duì)研究油氣及礦產(chǎn)資源、元素地球化學(xué)循環(huán)與氣候變化、地下水資源、地下空間利用、核廢料和二氧化碳的地下儲(chǔ)存等都具有重要意義。例如，核廢料儲(chǔ)存在地下，地下微生物會(huì)蝕變儲(chǔ)存這些廢料的容器，從而導(dǎo)致核廢料擴(kuò)散，有些微生物則可以分解這些核廢料，因而人們需要查明微生物對(duì)這些核廢料的正面和負(fù)面效應(yīng)。

特別是，深部生物圈的微生物為了適應(yīng)極端的物理化學(xué)條件，產(chǎn)生了一些具有特殊功能的酶，分離出這些酶就可以應(yīng)用于各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。深海中存在嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓、嗜鹽等微生物，通過分離可以獲得一系列深海微生物酶，包括蛋白酶、酯酶、鹵化酶、過氧化物酶、纖維素酶、瓊膠酶、DNA 聚合酶等，它們?cè)谵r(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、能源等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景。如此看來，這支“特種部隊(duì)”根本不存在“鷹老爪鈍”的現(xiàn)象，深部生物圈雖然遠(yuǎn)離了人類生活的地球表層系統(tǒng)，卻對(duì)人類社會(huì)非常重要。人類不斷地向深部地下拓展空間，我國也已經(jīng)提出了發(fā)展深地科技的國家戰(zhàn)略，這對(duì)揭開深部生物圈這支神秘的“特種部隊(duì)”具有非常重要的意義。

本文摘編自《演化: 微生物如何塑造地球》（謝樹成等著. 北京 : 科學(xué)出版社,2026. 3）一書“第一章 微生物創(chuàng)世”，標(biāo)題為編者所加。

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（科學(xué)與未來 : 院士科普叢書）

ISBN 978-7-03-084146-9

責(zé)任編輯：張 莉 姚培培

我們每天都在和微生物打交道，但人類究竟對(duì)微生物了解多少？微生物到底是人類的朋友還是敵人？不同的人有著不同的答案。盡管如此，有一點(diǎn)可以肯定，那便是微觀尺度的微生物能夠產(chǎn)生宏觀尺度的效應(yīng)，在龐大的地球生態(tài)系統(tǒng)、復(fù)雜的人體系統(tǒng)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

本書聚焦微生物與地球系統(tǒng)的復(fù)雜關(guān)系，從創(chuàng)世、問天、戲水、弄石四個(gè)方面介紹微生物對(duì)地球生物圈、大氣圈、水圈和巖石圈的影響，并從尋蹤角度闡述科學(xué)家如何研究數(shù)億年、數(shù)十億年前出現(xiàn)在地球上的微生物。本書集科學(xué)性、知識(shí)性和趣味性于一體，生動(dòng)地闡釋了各種各樣的微生物的特性，特別是它們那些鮮為人知、令人驚嘆的本領(lǐng)。本書有助于社會(huì)大眾了解小小的微生物如何塑造我們宜居的大地球，有益于青少年培養(yǎng)科學(xué)興趣、開闊思維視野，強(qiáng)化保護(hù)微生物多樣性、守護(hù)地球家園的責(zé)任意識(shí)。

本書適合科研工作者、大中學(xué)生以及其他對(duì)地球科學(xué)、生命科學(xué)感興趣的讀者閱讀。

（本文編輯：劉四旦）

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