斯坦福大学对极咸水中微生物的一项研究表明，生命可能在以前被认为不适合居住的条件下生存。这项研究拓宽了在整个太阳系中发现生命的可能性，并展示了盐度的变化如何影响地球上水生栖息地的生命。
由斯坦福大学科学家领导的新研究预测，生命可以在极度咸的环境中持续存在，超出了以前认为的极限。
这项研究于12月22日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上，该研究基于对南加州海岸工业池塘盐水中数千个单个细胞的代谢活性分析，其中水从海水中蒸发以收获盐分。这些结果扩展了我们对整个太阳系潜在宜居空间的理解，以及一些地球上的水生栖息地由于干旱和水转移而变得更咸的可能后果。
寻找外星生命
“我们不能到处寻找，所以我们必须真正考虑我们试图在其他星球上寻找生命的地点和方式，”资深研究作者、斯坦福大学多尔可持续发展学院地球系统科学助理教授安妮·德卡斯（Anne Dekas）说。“尽可能多地了解生命在地球上极端环境中生存的位置和方式，使我们能够优先考虑其他地方生命探测任务的目标，并增加我们成功的机会。
对探测地球以外生命的科学家长期以来一直在研究盐分环境，因为他们知道液态水是生命所必需的，而盐可以让水在更宽的温度范围内保持液态。盐还可以保存生命的迹象，就像盐水中的泡菜一样。“我们认为咸味的地方是寻找过去或现在生命迹象的良好候选者，”主要研究作者艾米丽·帕里斯（Emily Paris）说，她是地球系统科学博士生，也是Dekas实验室的一员。
“尽可能多地了解生命在地球上极端环境中生存的位置和方式，使我们能够优先考虑其他地方生命探测任务的目标，并增加我们成功的机会。
— Anne Dekas，地球系统科学助理教授
这项新研究是由康奈尔大学教授布兰妮·施密特（Britney Schmidt）领导的名为“跨越时空的海洋”（Oceans Across Space and Time）的大型合作的一部分，该合作由美国宇航局的天体生物学计划资助，该计划汇集了微生物学家，地球化学家和行星科学家。他们的目标是：了解海洋世界和生命如何共同进化，以产生可探测的生命迹象，无论是过去还是现在。了解使海洋世界适合居住的条件，并开发更好的方法来检测生物活动信号，是预测太阳系其他地方可能发现生命的步骤。
盐度变化对地球的影响
帕里斯说，我们还应该考虑盐度变化如何影响地球上的生态系统。例如，犹他州大盐湖水位下降导致盐度增加，这可能会影响食物链上游的生命。
“除了生命探测的角度之外，了解盐度的影响对于地球的保护和可持续性也很重要，”帕里斯说。“我们的研究表明，盐度的增加如何改变微生物群落组成和微生物代谢速率。这些因素会影响营养循环，以及甲壳类动物和昆虫的生活，它们是候鸟和其他水生动物的重要食物来源。
在地球上最咸的水域中发现生命
在南湾盐厂（South Bay Salt Works）或旧金山湾（San Francisco Bay）等盐池上空飞行的旅行者可以看到地球上一些最丰盛的微生物的万花筒，这些微生物发出霓虹绿、锈红色、粉红色和橙色的光芒。颜色的拼凑反映了适应在不同盐度水平下生存的水生微生物阵列，或者科学家所说的“水活度”——可用于生物反应的水量，使微生物得以生长。
“我们很想知道什么时候水活度变得太低，盐度变得太高，以及微生物生命在哪里无法再生存，”帕里斯说。海水的水活度约为0.98，而纯水为1。大多数微生物在0.9的水活度以下停止分裂，据报道，在实验室环境中维持细胞分裂的绝对最低水活度水平略高于0.63。
在这项新研究中，研究人员预测了生命的新极限。他们估计生命可能在低至0.54的水平下活跃。
斯坦福大学的科学家们与来自全国各地的同事合作，从南湾盐厂收集样本，这里是地球上一些最咸的水域的所在地。他们用盐厂不同盐度的池塘中的盐水装满了数百个瓶子，然后将它们运回斯坦福大学进行分析。
在科学家分析内部微生物的活动之前，瓶装盐水在实验室的温度和光控室中孵化。
更快地找到生活
以前寻找生命水活度极限的研究使用纯培养物来寻找细胞分裂停止的点，标志着生命的终点。但在这些极端条件下，生命痛苦地缓慢地翻了一番。如果研究人员依靠细胞分裂来测试生命何时停止，他们将面临长达数年的实验室实验，这对像帕里斯这样的研究生来说并不实用。即使进行细胞分裂研究，也不能表明生命何时死亡;事实上，细胞可能在代谢上很活跃，即使没有复制，仍然非常活跃。
因此，帕里斯和德卡斯研究了露天盐池中的微生物，以确定生命的不同极限——细胞活动的极限。
研究团队对之前的研究进行了三项关键改进。首先，他们没有使用纯培养物，这是科学家对哪种特定物种或微生物菌株最具弹性的标准最佳猜测，而是进入了实际的生态系统。在盐厂，自然选择的环境是最适合这些特定条件的复杂生物群落。
其次，研究人员对生命使用了更灵活的定义。他们不仅认为细胞分裂，而且认为细胞构建是生命的标志。“这有点像观察一个人吃一顿饭，或者成长。这是活跃生命的标志，也是复制的必要前兆，但观察速度要快得多，“Dekas说。
在数以百计的盐水样品中 – 其中一些非常咸，像糖浆一样浓稠 – 他们确定了水活度水平以及盐水中发现的细胞中掺入了多少碳和氮。通过这种方法，他们能够检测到细胞何时将其生物量增加了1%的一半。相比之下，专注于细胞分裂的传统方法只能在细胞生物量大约增加一倍后才能检测生物活性。然后，根据这一过程如何随着水活动的减少而减慢，科学家们预测它的截止将完全停止。
第三，当其他科学家在大量水平上测量盐水中的碳和氮掺入时，斯坦福大学的团队在斯坦福大学使用一种名为nanoSIMS的罕见仪器进行了逐细胞分析，这是该国为数不多的仪器之一。这种灵敏的技术使他们能够在其他“腌制”细胞中观察单个细胞的活性，这些细胞的存在会掩盖批量分析中的活性信号，并达到其低检测限。
“环境样品的单细胞活性分析仍然非常罕见，”Dekas说。“这是我们分析的关键，随着它得到更广泛的应用，我认为我们将看到微生物生态学的进步，从了解全球气候到人类健康，这些进步具有广泛的相关性。我们仍然才刚刚开始在单细胞水平上了解微生物世界。
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