国家研究开发机构日本海洋地球科学技术机构（主席：Kore Matsunaga）研究平台运营和开发部地幔钻探促进办公室主任 Fumio Inagaki 和超激进研究开发部高知核心研究所全球微生物研究组高级研究员 Yuki Morono 及其同事与不来梅大学、罗德岛大学和高知大学合作，日本深地勘探船“地球号”对高知县室户岬海岸外的海底（4776m深、17℃）至南海海槽俯冲带尖端、深度1180m、120℃的沉积物进行了调查。核心示例(*1)并详细分析了生活在海底环境中的微生物的分布、孔隙水的化学成分以及沉积物的物理性质和温度。其结果是，取决于室户岬沿岸的地质环境和温度条件的海底生物圈的现实和限制得到了澄清。
迄今为止的研究表明，在地质时间尺度上形成的海底沉积物中栖息着尚未培养的独特微生物。这些微生物活动被认为在全球物质循环中发挥着重要作用，例如海水中埋藏有机物的分解和甲烷水合物的形成。然而，基本问题仍未得到解答，例如生物圈在海底延伸多深以及哪些环境因素决定了其极限。
2016 年的目标是解决这些科学问题国际深海科学钻探计划(IODP, *2) 第 370 次研究考察“室户极限生物圈钻探调查：T-Limit”与地球深部探测船“地球号”高知核心中心(*3)的研究设施进行的。结果，生活在沉积物顶部低温至室温环境中的微生物细胞的密度随着温度（深度）的增加而降低，并且在大约45℃以上，微生物细胞的密度栖息在低温环境中。3100个以下。另外，在40-45℃深度段和75-90℃深度段，内生孢子(*4))的密度局部增加的现象。另一方面，在45℃以上的高温环境下，板块边界断层(*5) 已经明确，在底部90-100℃环境中存在一个深度区域，在该深度区域中未检测到微生物细胞，并且存在高浓度的乙酸，因为它们不被微生物消耗。此外，在110-120℃较深的沉积物-基岩边界带中，观察到了一些表明存在超高温微生物的特征，包括化学成分浓度和碳同位素组成的变化（表明乙酸产生甲烷）以及细胞密度的增加。
这项研究获得的结果表明，不仅该地点的温度、营养和能量条件，而且室户岬附近南海海槽俯冲带尖端的地质过程和流体运动过程对深海底环境中生命的生存条件（宜居性）具有重要影响。此外，在大洋板块俯冲带，在温度高达120摄氏度的沉积物-基底边界带中仍然检测到生命信号，这表明地球生物圈的扩张和可能的极限超出了大洋板块俯冲带，进入了沉积物下方传播的岩石圈（洋壳和上地幔）。
这项研究得到了日本学术振兴会尖端研究基础设施计划、尖端下一代研究和开发支持计划 (GR102) 以及科学研究补助金 (JP26251041、JP19H055 03、JP20K20429、JP19H00730)、德国的部分支持Forschungsgemeinschaft (DFG)、国家科学基金会 (NSF)、自然环境研究委员会 (NERC)、Alfred P Sloan 基金会（深这项研究得到了碳观测站的支持。
该成果将于 12 月 4 日（日本时间）发表在美国科学促进会 (AAAS) 出版的科学期刊 Science 在线版上。
标题：南海海槽俯冲带海底深处生命的温度限制
作者：维雷娜·B·豪雅1*，稻垣文雄2*，诸野由纪2*，久保佑介2，亚瑟·J·斯皮瓦克3，伯恩哈德·维赫韦格1，蒂娜·特鲁德4，菲利克斯·博利格5，弗洛伦斯·舒博茨1，藤内聪6，斯蒂芬·A·鲍登7，玛格丽特·克拉姆8，苏珊·汉高9，广濑武宏2，基拉·霍莫拉3，星野龙彦2，井尻晃2，今町弘之2，神谷奈奈10，金子正树11，洛伦佐·拉戈斯蒂纳12，海莉礼仪13，哈利-卢克·麦克莱兰14，凯尔·梅特卡夫15，奥津夏美16，唐纳德·潘2，Maija JRaudsepp17，贾斯汀·索维奇3，曾文贤18，王大卫19，艾米莉·惠特克20，山本佑根21，杨基浩22，前田丽奈2，Rishi RAdhikari1，克莱门斯·格隆比扎12，滨田阳平2，延斯·卡尔迈耶23，珍妮·温特1，拉尔斯·沃尔默1，山田泰宏2，木下正孝16，凯乌韦辛里奇1†
附属机构：1 不莱梅大学（德国）、2 日本海洋地球科学技术机构、3 罗德岛大学（美国）、4 加州州立大学洛杉矶分校（美国）、5 奥尔胡斯大学（丹麦）、6 高知大学、7 阿伯丁大学（英国）、8 卡尔加里大学（加拿大）、 9 阿尔弗雷德·韦格纳极地研究所（德国）、10 日本大学（现京都大学）、11 国立先进产业技术研究所（AIST）、12 瑞士联邦理工学院（瑞士）、13 普利茅斯大学（英国）、14 圣路易斯华盛顿大学（美国）、15 加州理工学院（美国）、16 东京大学、17 东京大学昆士兰州（澳大利亚）、18 多伦多大学（加拿大）、19 麻省理工学院（美国）、20 德克萨斯农工大学（美国）、21 日本海洋地球科学技术机构（现为神户大学）、22 延世大学（韩国）、23 GFZ 波茨坦亥姆霍兹中心（德国）
（*这些作者对这项工作做出了同等贡献。†通讯作者。 )
迄今为止进行的海洋科学钻探调查显示，浩瀚的海洋之下存在着大量的生命形式（微生物），海洋覆盖了地球表面的约 70%。全球微生物细胞数量为29-54×1029推测它是一个单元格。据透露，海底下估计有4万种特性未知的微生物，其生物多样性与陆地上土壤和海水中的微生物相当。2020 年 10 月 20 日报告）。构成这些海底微生物的碳仅占地球上所有生物碳的 018-36% 左右。然而，最近的研究表明，即使在海底以下营养和能量条件有限的情况下，海底微生物也能存活超过1亿个地质年。2020 年 7 月 29 日报道）。这些海底微生物的代谢活动非常弱，每个细胞每天只使用几十个电子。因此，人们认为，适应了海底严酷的低能量环境的微生物具有未知的生理和代谢功能，使它们能够在地质时间尺度上生存，同时获得维持生命功能所需的最小能量。2011 年 10 月 11 日报道）。
一般来说，众所周知，海底沉积物及其下方洋壳环境的温度随着时间的推移和深度的增加而增加。另外，地球上海底沉积物的体积（30×108公里3)，40℃以下沉积物比例约为48%(14×108公里3)，被认为与温度高于40℃的沉积物的比例大致相同。随着时间的推移，海底微生物如何适应和分布地层温度的变化？ 2012年，我们使用深地探测船“地球号”在下北半岛八户海岸附近的海底钻探了2466米，发现在温度高达637℃的所有沉积环境中都存在分解有机物并产生甲烷的异养微生物生态系统。2015 年 7 月 24 日报道）。在下北近海的海底下，从大约12-16公里的深度（温度40-45°C）观察到微生物细胞密度迅速下降，从而得出这样的假设：生活在海底沉积物中的微生物的丰度和分布与温度有关，并且它们的代谢活动取决于地质环境决定的当地营养和能量供应。
为了证明这些假设，2016年9月，在高知县室户岬海岸约160公里处的地点（地点C0023：水深4776 m，图1），进行了国际深海钻探计划（IODP）第370次研究考察（俗称“T-Limit”），以明确实际的温度极限南海海槽俯冲带顶端的海底生物圈 (2016 年 9 月 5 日报道）。本次科考巡航的勘察区域此前曾通过海洋科学钻探进行过地质勘察，具有较高的地温梯度，预计约12公里深度的基岩温度将达到120℃左右，对应超嗜热微生物的温度极限。在这次IODP研究巡航中，使用船上X射线CT扫描对地球号挖掘的岩心样本进行了分析，并在船上分离了用于微生物分析的岩心样本。然后将样本通过直升机运送到高知核心中心（高知县南国市），在洁净室中进行无菌处理（无外部污染）。此外，在钻孔内的多个位置安装了温度计，并在日本海洋地球科学技术机构于2018年3月使用深海研究船“Kairei”和无人勘探船“Kaiko”进行的深海调查（KR18-04）期间收集了温度数据。
图 1。第 370 次 IODP 研究考察期间进行的钻探地点（地点 C0023）位于高知县室户岬附近的南海海槽俯冲带顶端。过去，国际深海钻探计划（ODP）第131次研究考察（Site 808）以及第190和196次研究考察（Site 1174）使用美国钻井船Joydess Resolution进行，报告显示详细的地质结构和地壳热流均高于周边地区。
根据Chikyu钻探直接测量的温度数据和沉积物岩心样品的热导率测量，钻孔最深部分（1180 m深度）的温度为120±3℃。此外，在2018年进行的深海调查中，恢复了Chikyu安装的钻孔内温度观测数据，证实了该温度数据的有效性。
在海底以下约190至400 m、30至50摄氏度的深度范围内，微生物细胞的密度随着深度和温度的增加而降低，荧光染色法定量微生物细胞密度的极限（1 cm3) 16 个细胞或更少的趋势（图 2A）。相反，细菌内生孢子的密度在 400 m 深度左右增加至 1 cm3（图2B）。在深度约 400 m、温度超过 50°C 的深层环境中为 1 cm3的定量限制被零星检测到。在75~90℃的200m厚截面中，内生孢子密度再次增加，在85℃时达到1cm3（图2B）。此外，在板块边界断层以下深度为570-633 m、温度约为70℃、深度为829-1021 m、温度为90-110℃的非生命环境附近区域，未检测到正常微生物细胞和内生孢子。但在深度断面（1021-1180 m，110-120℃）至沉积物-基底边界超过1021 m时，定量极限（1 cm3超过 16 个单元
另一方面，在约730 m的深度和80-85℃左右，观察到硫酸-甲烷边界区域，其中从基岩供应到沉积物的硫酸浓度与沉积物中的甲烷浓度相交（图3A）。在该深度以上的沉积物中，轻碳同位素比指示微生物来源的气体（平均-613±30‰，*6）（图3B），并且观察到相对较高的产甲烷活性（图3D）。此外，在更深的沉积物中，存在低浓度的具有重碳同位素比率的热解衍生甲烷，并且产甲烷活性极低或低于检测限。此外，我们观察到在80-85°C的高温沉积物环境中甲烷碳同位素有局部变重的趋势（图3B）。这表明存在负责通过硫酸还原氧化甲烷的厌氧甲烷氧化反应的微生物生态系统。此外，在1021-1180 m和110-120°C的深度范围内，细胞数量增加，甲烷的碳同位素组成再次趋于变轻，并观察到显着的产甲烷活性（图3B，D）。
有趣的是，在深度超过 600 m、70°C 的深层沉积物中，与甲烷浓度和内生孢子密度的下降相反，沉积物孔隙水中所含的乙酸浓度增加到超过 10 mM 的高浓度（相当于深度低于 600 米的沉积物中所含乙酸量的 400 倍以上） m）（图3C）。在600-1000 m深度段，乙酸浓度和碳同位素比呈现几乎恒定的值（平均92±24 mM，-188±05‰）。这表明，与有机物分解产生的乙酸量相比，微生物消耗的乙酸量极少（或根本没有消耗）。然而，在超过1030 m的深度，乙酸浓度随着深度的增加而降低，乙酸的碳同位素比趋于增加至-79‰（图3C）。这种现象被认为是由于微生物在温度超过100℃的沉积物-基底边界带中进行乙酸氧化反应，同时产生甲烷和硫酸还原，并通过消耗轻碳同位素比的乙酸来获取能量（图4）。
上述微生物、地球化学和地质研究数据表明，许多生活在表层沉积物中的海底微生物对常温微生物群落是温度敏感的嗜冷微生物，生存温度极限为40-50℃。此外，研究表明，沉积物中局部存在生长温度上限为45-85℃的低密度嗜热微生物，有助于厌氧甲烷氧化反应等物质循环。此外，研究表明，其中一些微生物群落在接近生存极限温度（40-50℃和70℃左右）时会采取生存策略，例如形成内生孢子。另一方面，70℃和90-110℃左右沉积物中存在生命信号较差的断面。这是因为夹在板块边界断层和基岩之间的沉积物局部孔隙压力高，机械强度弱(*7),过去间歇性供应高温流体(*8)，可能存在微生物细胞死亡或无法生存的环境。然而，在沉积物和基岩之间高达110-120℃的界面中，存在超嗜热微生物，它们消耗基岩供应的深层流体（热水）中所含的化学成分和沉积物中含有的乙酸作为营养和能量底物，与常温微生物和嗜热微生物的栖息地不连续（图2C和5）。
这些研究的结果对于理解生命和生态系统如何适应和生存以应对地球内部环境的温度等物理和化学因素的变化（地球是宇宙中唯一被证实存在生命的地方）以及这种情况如何促进生命与地球和行星之间的共同进化过程和物质循环极其重要。此外，在这项研究中，在1021-1180 m深度和110-120°C的地质环境中证实了表明超嗜热微生物存在的生命信号。这一结果不仅表明温度、地质结构以及营养物质和能量的可获得性是生命在海底深处生存的极其重要的因素，而且表明该星球海底生物圈的空间规模和界限可能到达温度超过120摄氏度的洋壳和上地幔。
图 2 IODP 第 370 次研究考察期间从钻探地点 C0023 收集的沉积物岩心样本中微生物细胞和内生孢子密度以及环境因素的垂直剖面。 (A) 用荧光染料 (SYBR Green I) 染色的微生物细胞的密度分布。细胞密度高于定量下限的图用●表示，细胞密度低于定量下限的图用○表示。 (B) 通过对吡啶二羧酸（一种内生孢子特异性生物标志物）的定量分析估计的内生孢子密度分布。 (C) 沉积物孔隙水中的盐度、温度和沉积学特征的示意图。基岩盐度的增加表明受基岩（玄武岩）蚀变影响的流体正在供应到沉积物一侧。灰色区间表示深度（570-633 m 和 829-1021 m），其中荧光染色的微生物细胞和吡啶二羧酸的内生孢子均未显着检测到。
图 3 C0023 钻探点气体/孔隙水地球化学特征和产甲烷活动的深度剖面。 (A) 硫酸 (●) 和甲烷 (○) 的浓度。 (B) 甲烷/乙烷比(●)和甲烷碳同位素比(○)。 (C) 孔隙水中乙酸浓度(●)和乙酸碳同位素比(○)。 (D)14CO 标记为 C2的潜在产甲烷活性作为放射性示踪剂 (14CO2来自14中文4基于换算成18298_18344|)的量的氢同化甲烷生产反应的速率。定量下限 (0094 pmol/cm3/天)的测量值用●表示，低于检测到的测量值用○表示。 180 m 深度的潜在产甲烷活性为 417 ± 41 pmol/cm3/天显示超出范围的值。这些活性值是通过在40℃下在360m的深度下、在60℃下在405-585m的深度下、在80℃下在604-775m的深度下以及在95℃下在816m或更深的深度下温育来测量的。灰色区域和温度与图 2 中的相同。
图 4 根据钻探点 C0023 处气体和孔隙水化学成分的浓度显示微生物呼吸代谢反应的潜力吉布斯自由能(ΔGR，*9) 深度剖面。在深度约 400 m、温度超过 50°C 的沉积物中，CO2通过还原诱导的氢同化甲烷生产反应（红色）很难自发地获得能量。此外，在氢同化硫酸盐还原反应（蓝色）中，每摩尔底物（硫酸根离子）的吉布斯自由能往往随着深度的增加而增加，使得反应难以进行。相比之下，对于乙酸裂解型甲烷生产反应（绿色）、涉及硫酸盐还原的厌氧甲烷氧化反应（橙色）以及使用乙酸作为底物的硫酸盐还原反应（紫色），反应底物的吉布斯自由能随着深度的增加而降低，并且观察到根据代谢模式更容易获得能量。
图 5。在挖掘点 C0023 检测到的微生物细胞的荧光显微照片。细胞中含有的 DNA 用绿色荧光试剂 (SYBR Green I) 染色。 （左）从 6520 m 深度和 76°C 的沉积物岩心样本 (43R-3) 中分离出的微生物细胞。 （右）在 11768 m 深度和 120°C 的沉积物岩心样本 (112R-2) 中检测到的微生物细胞（照片中央有一个细胞）。刻度显示 20 微米（1 毫米的 1/50）。