地球深處缺乏光照和營養，可能看起來過於貧瘠，不值得搜尋生命跡象。但地下微生物實際上構成了地球生物圈的巨大組成部分。就估計的總生物量而言，它們僅次於植物。
現在，南達科他州的一個廢棄金礦正在讓人們對這個埋藏的生物多樣性秘密世界進行迄今為止最深入的觀察。在《環境微生物學》雜誌上發表的新研究中，對來自地下深達 1.5 公里的礦井微生物的基因分析揭示了生存策略的分裂。一些微生物擁有龐大而笨重的基因組，使其能夠消化可能遇到的任何營養物質。另一些微生物的基因經過了精簡，以至於它們甚至無法制造一些生命的基本組成部分，而是依賴於 scavenging 它們或與其他物種共生。
“發現生存策略中存在如此完全的兩分性真是太酷了，”環境和工程公司 Exponent 的顧問兼論文的第一作者莉莉·蒙珀說。蒙珀說，在世界各地其他幾個深層微生物觀測點也看到了類似的結果。“我們認為這可能是一般深層地下的策略，”她補充道。
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潛伏在地球地表深處的生命可能是其他世界中勉強生存的外星生物的類似物；與我們溫和的地球相比，太陽系中每個可能孕育我們所知生命的行星或衛星都提供了遠不如地球表面宜居的條件。然而，在這些嚴酷的外表之下，儘管完全黑暗，生物體仍將免受危險宇宙射線的侵襲，並被地質熱量溫暖。這樣的地下生態位可能是太陽系其他地方（如果不是整個宇宙）任何生命的預設住所——這使得隱藏在我們星球內部的頑強微生物對天體生物學家至關重要。例如，如果現在火星上存在任何生命，那麼很可能它就居住在地下，並且看起來和行為方式都與地球深處的居民非常相似。
腳下的微生物對我們家園附近也很重要。威斯康星大學麥迪遜分校的微生物生態學家卡蒂克·阿南塔拉曼說，沒有人真正知道碳是如何從大氣和水生環境轉移到地下的細節，他不是這項新研究的合著者，但他的實驗室建立了一種基因組分析工具，該工具已在該研究中使用。“微生物如何影響該迴圈？碳的轉移速率是多少？”阿南塔拉曼說。如果沒有這些答案，就無法對碳迴圈及其對地球氣候和宜居性的巨大影響進行細緻的理解。
鑑於人類希望透過將二氧化碳注入地下（一種稱為碳封存的過程）來緩解氣候變化，這些問題變得尤為緊迫。“很多對話的發生並沒有意識到微生物實際上生活在地下，並且可能對干擾這些過程感興趣，”西北大學的新研究的資深作者兼地球生物學家瑪格達萊娜·奧斯本說。
深礦微生物觀測站，這是一個深鑽孔網路，位於南達科他州黑山曾經的 Homestake 金礦中，是地球上為數不多的研究人員可以長期研究這些深層群落的地方之一。“這種深鑽孔非常少，”阿南塔拉曼說。
這座礦井於 2002 年關閉，深入地下 2,438 米。自 2007 年以來，它一直是一個名為桑福德地下研究設施的多學科科學實驗室，現在主要由物理學家使用，他們正在研究中微子和尋找暗物質粒子。但奧斯本說，那裡還有另一種“暗物質”：從未在實驗室培養過的微生物。人們只從它們的遺傳碎片、DNA 片段和包裹中瞭解它們，研究人員可以從過濾後的地下水中大量測序並費力地重建。檢索這些珍貴樣品需要乘坐木製和金屬電梯籠深入礦井。
“你的耳朵會砰地一聲，起初真的很冷，但當你到達那裡時，就會變得非常熱，”蒙珀說。“當你到達那個深度時，溫度在 90 華氏度以上 [32 攝氏度以上] 範圍內。[電梯] 非常搖搖晃晃，第一次乘坐時有點嚇人。”
一旦到達深處，研究人員就會利用鑽孔進入岩石中充滿液體的裂縫，從每個裂縫中過濾幾升水，以捕獲成千上萬個單獨的微生物細胞及其基因。在這項新研究中，該團隊收集了來自 244、610、1,250 和 1,478 米（800、2,000、4,100 和 4,850 英尺）深度的樣本，並將它們與從附近地表小溪採集的樣本進行了比較。
然後，研究人員開啟微生物細胞，並一口氣對它們的遺傳物質進行測序。從這種混合物中，該團隊使用檢測各個序列之間重疊的軟體將生成的基因重建為生物體基因組。蒙珀說，這種方法有點像拿起一書架的書，將它們撕碎，然後從碎片中重建它們。
這種方法揭示了以前從未見過的基因組，表明有大量新物種隱藏在前金礦的深處。研究人員還在生物體中發現了大量的多樣性。“立即引起我們注意的是，它們正在做很多事情，”奧斯本說。“這些生物的代謝能力很強，因此氮、硫和金屬迴圈在各處都有巨大的潛力。”
阿南塔拉曼說，一些生物是極簡主義者，只有少數非常特定的代謝過程的基因。在地下等營養貧乏的地方看到這些並不奇怪，因為維持一個龐大且能量飢渴的基因組存在代謝負擔。他說，更令人驚訝的是，發現了第二類極繁主義生物。這些生物具有代謝環境中未發現的化學物質的能力。
奧斯本說，這種過度準備令人驚訝，因為維持如此多的基因以獲得如此多的代謝能力是有能量成本的。但這些微生物的“預備者”性質可能在地下是一種優勢。“裂縫開啟；裂縫閉合；事物礦化，”她說。“這些生物中的許多生物都只是為任何可能出現的能源做好準備。”
前 Homestake 礦的一個優勢是研究人員可以一次又一次地返回以重複取樣相同的鑽孔。全球還有少數其他長期觀測點，科學家們在那裡對微生物暗物質進行了取樣，包括加拿大、瑞典、瑞士和芬蘭。阿南塔拉曼說，在這些地點之間進行有效比較具有挑戰性，因為它們涵蓋了如此廣泛的環境條件。這使得很難回答諸如微生物多樣性是否以及如何隨深度變化等問題。
不過，一個共同的模式是，大多數地點都存在廣泛的生命。奧斯本和她的團隊現在正在研究不僅對 DNA 而且對 RNA（基因和蛋白質之間的分子中間物）進行測序。奧斯本說，研究微生物 RNA 不僅可以揭示微生物能夠做什麼，還可以揭示它們在特定時刻正在做什麼。目前的另一個專案是分析地下生物膜——微生物的穩定積累，這些微生物受到粘液分泌物的保護，我們通常在廁所和廚房水槽中遇到的是汙垢沉積物。奧斯本說，生物膜很難研究，但研究人員很幸運：他們在 2019 年 12 月在礦井鑽孔中建立了一個長期過濾系統，並計劃在三到六個月後收集它。但 COVID 爆發了，過濾系統閒置了四年，團隊才能回去檢查。奇蹟般地，它完好無損。
“這是我們迄今為止最接近模擬原位生物膜生物圈樣貌的一次，”奧斯本說。“[這些生物]產生了大量的生物量，而且它的外觀確實與眾不同，這讓我感到興奮。”