大氣微生物組

對於單細胞生物而言,地球大氣層代表著 運輸、庇護所 以及可能的棲息地

C. Scharf 2019年

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


從太空看地球的經典景象是一個泛著藍色的星球,表面覆蓋著不斷變化、紋理深刻的白色雲層。我們經常會透過雲層間的縫隙,尋找地表上可辨認的大陸和海洋,因為那是我們的領域,也是生命顯而易見的領域。

但生命並不僅限於地球的岩石和液體,它也滲透到大氣層中。鳥類、昆蟲、植物和真菌 都在利用空氣這種遍佈全球的流體及其氣流和湍流。而且,廣闊的微生物生物圈似乎也延伸到了這個領域。

從表面上看,空氣中漂浮著單細胞生物並不令人驚訝。在幾微米的尺度上,例如細菌,很容易被抬升到大氣分子的混合物中。植物、海洋、陸地和人類城市區域不斷地噴射微生物。土壤侵蝕揚起土壤微生物,海洋蒸發揚起海洋微生物,而每一種咳嗽噴濺的動物都有助於將微小的生物注入空氣中。


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大氣取樣表明,至少在地球平流層底部,在極地地區海拔約 7 公里處,一直到赤道地區約 20 公里處,都存在明顯的生物負荷,並且存在季節性變化。這些測量並不容易,部分原因是與地表標準相比,給定體積內的生物數量非常低——每立方厘米約 100 到 10,000 個細胞。但也因為基因組的多樣性非常大。

一個重要的問題是,經常最終漂浮在空中的微生物物種是否也利用了這一點——或者實際上是否已經進化到不僅利用大氣層的全球運輸系統,還利用了它的其他一些特性。 

多年來,所謂的'造雨細菌'一直是新聞熱點。任何形式的降水都往往涉及凝結水蒸氣液滴或晶體的成核或播種。由於生物顆粒物(不僅包括細菌之類的東西,還包括浮游植物產生的生物化合物,如二甲基硫,它會變成大氣硫酸鹽顆粒)佔大氣氣溶膠的 20% 到 70% 之間,因此生命似乎可以發揮重要作用。事實上,有證據表明,南大洋的浮游植物大量繁殖可以為它們自己的雲層播種。在全球範圍內,生物氣溶膠似乎將雲滴數量增加了高達 60%。

但似乎漂浮在空中的物種 不僅僅是在物理上與地球的水文迴圈相互作用(這本身就是一件大事)。有證據表明,大氣中存在代謝活躍的細菌。這並非確定無疑的事情,微生物傾向於在與其他物種混合的物理相關的菌落中協同工作效果最佳。 

多年來,研究人員已經看到,某些雲傳播的物種,如果在實驗室中培養,肯定會改變涉及碳、氮和氧的大氣化合物的化學性質。其他研究試圖測量原位代謝,表明醋桿菌科 的物種可能是活躍的。這些物種將 乙醇發酵成乙酸——而乙醇(可能令人驚訝地)通常存在於地球大氣中,作為我們周圍迴圈的複雜化學混合物的一部分。其他物種利用陽光並使用簡單的有機酸化合物生長; 野火產生的有機酸種類。

與許多前沿科學一樣,目前問題多於答案。但是似乎有證據表明,空氣中代謝活躍的微生物 直接參與了地球核心的生物地球化學迴圈——在它們漂浮在地球周圍時,不斷地分解有機化合物。

正如我們花了很長時間才認識到我們世界地下生物圈的普遍性和規模一樣,我們可能不得不進一步擴大生物學的範圍,以包括我們頭頂上方豐富但很大程度上不可見的空氣領域。

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