腳下隱藏的生命世界生機勃勃

來自量子雜誌 (在此處查詢原始故事)。

珍妮特·詹森 在 20 世紀 70 年代末作為新墨西哥州立大學的學生時，首次開始思考廣闊的地下生命世界。一小撮土壤包含約 100 億個細菌，但當時地球科學家對這些微生物是什麼以及它們的作用知之甚少。後來，作為瑞典斯德哥爾摩大學的年輕微生物生態學家，她開始編目她在土壤取樣旅行中收集的微生物，破譯它們的遺傳密碼，以便她能夠了解它們的內部運作方式以及它們如何適應其地下棲息地。

然而，隨著詹森的深入挖掘，她不斷遇到一個問題。當時用於擴增和分析 DNA 片段的主要方法不夠強大，無法揭示單個微生物的所有運作方式，更不用說整個微生物群落了。“你可以獲得有關特定基因的資訊，但測序技術非常緩慢，”詹森說，她現在是華盛頓州里奇蘭太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 的生物科學部門主任。她知道她研究的沉積層蘊藏著豐富的生物學發現，但她還沒有挖掘它們所需的工具。

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然後，在本世紀初之後不久，新的高強度 DNA 測序方法使幾乎可以立即測序數千甚至數百萬個基因。這些新的、更快速的方法意味著研究人員可以首次輕鬆地對樣本的集體基因組（稱為宏基因組）進行測序。突然之間，掃描停滯的沼澤和冰凍的苔原等各種棲息地的總體組成成為可能，從而生成了它們所包含的微生物生命的詳細畫像。這些廣泛掃描（同類首創）的基因和蛋白質序列一旦被解碼，將闡明微生物在每個生態系統中實際在做什麼。這些資料將幫助研究人員瞭解微生物如何捕獲和儲存大氣中的二氧化碳，如何分解有機物以便植物可以獲取其養分，以及它們如何中和已知威脅人類健康的土壤毒素。“你可以對所有東西進行測序，”詹森說。“這就是宏基因組學方法真正具有優勢的地方。”

關於詹森當前環境的一切都是宏大而大膽的：佔地 600 英畝的 PNNL 校園佈滿梧桐樹，橫跨華盛頓東部，透過她的落地窗可以看到無盡的藍色天空，冰箱大小的基因測序機，她的團隊在那裡存放土壤樣本。但是，與以往一樣，驅動詹森的是微觀和看不見的事物的誘惑——繪製土壤微生物組內容的挑戰，這是一個功能從未被完全理解的龐大全球社群。“土壤，”詹森笑著說，“是終極複雜系統。”

地下草原
一旦宏基因組學開始為土壤科學家開啟一個全新的地下世界，詹森發現自己面臨著一系列新的挑戰。她幫助建立的這個新興領域的範圍是巨大的——一茶匙土壤可能包含數萬種物種，全世界可能有數百萬種尚未被發現的物種。為了應對理解其功能的艱鉅任務，她於 2010 年發起了一項名為地球微生物組計劃的合作專案，合作者包括加州大學聖地亞哥分校的 羅伯·奈特 和伊利諾伊州阿貢阿貢國家實驗室的 傑克·吉爾伯特。該專案旨在編目來自世界各地地點的 200,000 個富含微生物的樣本。（截至去年，它已經分析了超過 30,000 個樣本。）但詹森也知道，要真正深入挖掘，她必須將擺在她面前的令人眼花繚亂的研究可能性縮小到她一生中可以解決的少數幾個。

首先，她和她的團隊開始研究美國腹地大部分地區的草原土壤。草根周圍數以千計的土壤微生物幫助中西部大草原儲存的碳比美國大陸任何其他地區都多。透過產生切割和重組二氧化碳分子的蛋白質，這些微生物與草類協同工作，捕獲大氣中的二氧化碳並將其轉化為儲存在地下的固體、富含碳的生物物質。這對人類來說是一個巨大的福音，因為一個景觀可以儲存的二氧化碳越多，作為驅動地球變暖的溫室氣體的二氧化碳就越少。

但是，由於超過 90% 的土壤細菌無法在實驗室中培養，因此研究人員長期以來一直不確定它們如何促進碳迴圈。詹森認為，對這些草原微生物的宏基因組學分析將有助於揭示它們參與碳儲存的程度，並闡明降雨和人類土地耕作是否會改變這種作用。

詹森的團隊分散到該國中部三分之一的地區，看看他們能找到什麼微生物新奇事物。在愛荷華州、堪薩斯州和威斯康星州的田間地點，他們使用稱為取土器的工具採集土壤樣本——這種工具是設計用於切入土壤的英尺長空心管。當取土器出現時，它會拉出一個圓木狀的樣本，其中包含所有層——理想情況下，還包含其微生物——完整無損。然後將這塊泥土儲存在乾冰上並送回實驗室。在那裡，技術人員對樣本的 DNA 和 RNA 進行測序。

一旦這個過程完成，專案科學家就會很好地瞭解每個樣本中包含哪些微生物基因以及微生物執行哪些生物學工作。如果土壤樣本包含細菌基因，這些基因產生用於將大氣中的二氧化碳轉化為固體碳的酶，並且這些基因是活躍的，研究人員可以得出結論，樣本中的微生物正在積極儲存碳。
在每個地點，研究團隊都對原生、未受干擾的草原土壤以及已經耕種多年的土壤進行了取樣。測序樣本顯示，原生草原土壤與耕種土壤含有不同的微生物混合物，這可能部分是由於耕種期間使用的肥料。“當我們檢視這些比較時，存在強烈的微生物特徵，幾乎就像耕種的生物標誌物，”詹森說。她懷疑原生土壤和耕種土壤中微生物儲存碳的方式存在差異，她計劃在未來的研究中進一步探索這個問題。

冰凍的苔原
與此同時，詹森和她的團隊還在探索北極地區的土壤，北極地區是世界上氣候變化最快的地區之一。詹森長期以來一直對這些快速的溫度變化如何影響地下微生物群落感到好奇，以及這些變化是否會產生任何令人驚訝的副作用。“永久凍土中捕獲瞭如此多的有機碳，”她說，“我們真的不知道隨著氣候變暖會發生什麼。”在她的工作開始時，詹森懷疑變暖趨勢可能會啟用分解儲存碳的細菌過程，將其釋放到大氣中並加劇氣候變化。但由於她不確定，她決定研究阿拉斯加三種不同地形型別的微生物群落混合物如何變化：冰凍的永久凍土、隨著季節變化而凍結和解凍的表層土壤以及相對溫暖、積水的沼澤土壤。

正如她所預料的那樣，詹森發現這些地點的微生物群落之間存在顯著差異。總體而言，永久凍土樣本中的基因和蛋白質很少。但在凍融土壤層中，測序顯示土壤樣本中的細菌正在產生一些有趣的蛋白質，包括酶，這些酶將碳分子的長鏈（如植物纖維素）剪下成細菌可以用作燃料的較短、更簡單的糖化合物。當這種情況發生時，以前“鎖定”的碳會釋放回大氣中。“當 [土壤] 解凍時，”詹森說，“它開始更多地轉變為分解。”換句話說，在較溫暖的土壤中，細菌碳分解過程開始在測序資料中清晰地顯示出來。因此，正如一些觀察家所擔心的那樣，變暖的溫度可能會釋放土壤中以前惰性的碳。這引發了令人擔憂的失控碳釋放前景，因為溫度持續升高。

最引人注目的是，詹森研究中最溫暖的土壤樣本——海綿狀沼澤土壤——揭示了一系列參與產生甲烷（一種溫室氣體，其效力是二氧化碳的 20 多倍）的微生物基因和蛋白質。其中一種蛋白質是甲基輔酶 M 還原酶，它參與將二氧化碳轉化為甲烷。這一發現可能意味著變暖趨勢將推動當地微生物產生更多的甲烷。接下來，詹森計劃調查快速解凍對土壤微生物種群的影響是否與更緩慢的解凍不同，因為隨著地球變暖，這兩種情況都可能變得司空見慣。

細菌風土
正如詹森同事的工作所揭示的那樣，土壤微生物不僅僅是碳處理器。足下龐大的微生物群落不僅影響空氣質量和全球溫度，還會影響我們種植的食物的味道和質量。杜克大學的 托馬斯·米切爾-奧爾茲 想看看植物根部周圍和內部的微生物種群是否會影響植物的成熟方式。他和他的學生 瑪吉·瓦格納 從愛達荷州農村的四個不同採集點採集了土壤樣本，並從每個樣本中分離出微生物。然後，他們用這四個微生物樣本接種裝滿土壤的花盆，並在其中種植了一種常見的芥菜植物 Boechera stricta。該團隊發現，土壤中某些型別的微生物似乎可以加快植物的開花時間，而另一些微生物，例如 Proteobacteria 門的成員，則會減慢開花時間。

這項研究強調了微生物活動對植物健康和生產力的必要性。“土壤微生物早已與植物的耐旱性、生長速率和植物效能的其他方面聯絡起來。我們的實驗將開花時間新增到此列表中，”米切爾-奧爾茲說。“土壤微生物調整開花時間的潛力——無論是為了提高產量、緩衝氣候變化，還是兩者兼而有之——都非常有趣。”這種前景可能不僅會引起希望增加收成的農民的興趣，還會引起加利福尼亞州納帕谷的葡萄酒種植者的興趣，他們知道開花時間對葡萄的生長和最終年份葡萄酒的味道影響有多大。事實上，納帕等地的著名風土可能源於數千種微生物在看不見的和諧中嗡嗡作響。

其他測序研究表明了土壤微生物在分解汙染物方面發揮的關鍵作用。當印度德里大學的科學家從農藥傾倒場採集土壤樣本，並將其與來自更清潔的對照地點的樣本進行比較時，他們報告說，來自廢物場的土壤含有更高濃度的來自某些細菌群體的基因序列，例如 假單胞菌屬、新鞘氨醇單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬，這些細菌群體已知可以降解常見的農藥，如六氯環己烷。似乎微生物可以適應以幫助受汙染的景觀恢復，這提出了在生物修復工作中部署這些細菌的令人興奮的可能性。“土壤是抵禦我們生態系統各種侮辱的緩衝器，”在 PNNL 與詹森密切合作的微生物學家 瓦妮莎·貝利 說。

參與大草原專案的研究人員已經設法彙編了約 1.8 萬億個鹼基對的 DNA 資料，但詹森認為，考慮到土壤每克含有 10 億到 100 億個細胞，這些資料僅描述了草原土壤中微生物群落的一小部分。“我們仍處於發現階段，”她說。“我們還有很多工作要做，僅僅是為了組裝土壤宏基因組。”她和其他科學家正在嘗試各種技術來簡化基因分析過程，例如丟棄特定樣本中不太常見的基因序列，以便專注於更普遍的基因序列。

詹森和她的同事們對以前未知的微生物群落了解得越多，他們就越能更好地預測這些群落將如何對不同的條件做出反應——乾旱、溫暖的天氣或洪水，僅舉幾個例子。他們希望將這些預測構建到計算機模型中，這些模型將說明給定的環境變化可能產生什麼微生物活動，以及該活動的預期結果。此類模型可以幫助環境規劃者培育微生物混合物，以實現預期的目的——這可能是鎖定數十億噸大氣碳的土壤，或輕鬆消除汙染的土壤，或產生釀酒商夢寐以求的葡萄的土壤。“通過了解最佳情況下存在的微生物，”詹森說，“您可以調整系統以最佳化微生物的組合。”

但是，實現正確的微生物平衡並不總是像用某些細菌菌株接種土壤那麼簡單。“如果條件有利於您希望微生物繁殖，它們就會繁殖，”詹森說。“如果您播種但條件不利，它們就會死亡。”因此，理想的方法通常是設計出有益微生物自然會聚集的那種景觀。在每年都變得更加沼澤化的變暖地區，這可能意味著確保有足夠富氧的流動水，這將使該地區不太適合產生大量甲烷的厭氧微生物。在大草原的耕種區，農民可以選擇保持自然微生物多樣性的肥料，從而獲得豐富的糧食作物並最大限度地捕獲大氣中的碳。

儘管如此，這些見解是逐步且來之不易的，詹森知道未來的科學家需要承擔起發現土壤微生物影響地球其他部分的所有方式的重任。目前，詹森樂於扮演土壤測量員的角色，繪製微生物群落的多樣性和廣度，以便其他人將來可以從這些知識中受益。“我們對天體的運動了解得更多，”列奧納多·達·芬奇曾經沉思道，“而不是對腳下的土壤。”500 多年後，詹森想成為最終證明他是錯的科學家。

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