神秘的地底微生物——它们是如何帮助人类的

在你脚下的土地，是庞大又神秘的微生物的家园——它们中的一些已经在地壳里生活了成千上万年了。它在下面是什么样子的？就像置身于哥斯达黎加的火山和温泉，微生物学家凯伦·劳埃德将为我们展示这些地下隐秘的生物以及它们如何对地上产生了深远的影响。

看起来我们现在都站在
坚固的地球表面上，

然而并不是。

在我们脚下的石头和尘土里
交叉分布着

细小的断裂层和空隙。

这些空隙中充满
天文数量级的微生物，

比如这些。

目前我们可以找到微生物的最大深度

是地下5000米。

所以，如果你在地面上定一个点位，

然后开始向地心跑，

沿途5000米的路径上都能看到微生物。

所以你可能从来没想到这些微生物

还存在于地壳的深处，

但是你可能会想到生活
在我们内脏里的微生物。

如果你将地球上所有生物的

内脏微生物全部加在一起，

它们的重量约有10万吨。

每一天，这么庞大的生物群
就生活在我们的肚子里。

我们都应该感到非常骄傲。

（笑声）

但是相对于可以覆盖
整个地球表面的微生物，

比如在土壤里、河里和海里的微生物，

内脏里的微生物
就显得相形见绌了。

它们加起来约有20亿吨。

但是事实说明大部分地球上的微生物

并不是在我们的内脏或者污水处理厂里。

实际上，它们大多数都在地壳里。

所以这些加起来有400亿吨重。

这是地球上最大的微生物群之一，

而我们在几十年前才发现它们的存在。

所以地球下的生活是什么样，

或者它们对人类的影响

无法估量。

这个地图上的红点标记的每一个地方

都是我们通过现代微生物学手段

获得的非常好的地表下层样本。

你可能想不到，

我们在全球各地都有取样。

但是实际上，如果你发现
这些是我们仅有的几个采样地点，

情况看起来就没那么乐观了。

假如我们在一个外星人的飞船上，

试图通过仅有的这些样本
来重新构建地球的地图，

那是绝对不可能做到的。

有时候有人跟我说，

“没错，地表下有很多微生物，但是……

它们不是在冬眠吗？”

这是非常好的一个问题。

当比无花果属植物或者麻疹，
或者是我小孩养的那些豚鼠，

这些微生物大概真的是什么事情都不做。

我们知道因为它们数量过于庞大，
它们不得不成长得很缓慢。

如果它们按照大肠杆菌的速度开始分裂，

仅仅一夜之间，
它们就让整个地球，包括石头的

重量翻倍。

实际上，从古埃及时代以后，

很多微生物大概甚至没有
完成过一次细胞分裂。

这真是太神奇了。

我们到底该如何去看待
这样长寿的东西？

但是我想到了一个我非常喜欢的类比，

虽然它听起来会有些奇怪和复杂。

我希望你们可以听听看。

好的，让我们试试。

这个类比就像是试图理解
一棵树的生命周期……

如果你只能活一天。

所以假如人类的生命只有一天，
并且是在冬天 ，

那么你的整个人生，

都不会在树上看到任何一片叶子。

在仅仅一个冬天里，

人类就会拥有非常多的后代子孙，

以致于历史书上

只会记载树木
是一个没有生命的棍子，

没啥用处。

当然，这种结论很荒唐。

我们知道树木
只是在等待夏天的到来，

这样它们就可以恢复活力。

但是假如人类的寿命

明显比树木的寿命短，

我们可能就完全不会察觉到
这个非常平凡的事实。

所以当我们说这些深埋于
地下的微生物只是在沉睡，

我们是不是就像那些寿命只有一天
却试图理解树木如何生存的人们？

这些地表下的微生物

会不会只是在等待它们的“夏天”，

而我们只是因为生命太短暂而无法看到？

如果你将大肠杆菌封闭在一个试管里，

没有食物或者营养剂给它，

然后将它成年累月的放在那里不管，

当然，大部分细胞都会饿死。

但是很小一部分细胞会生存下来。

如果你取下这些年老的
存活下来的细胞，

让它们在饥饿的条件下，

和一些新的、快速成长的
大肠杆菌竞争，

这些头发花白、吃苦耐劳的老年人
每一次都打败了吱吱作响的

干净的新贵。

所以，这证明了
进化的格外缓慢

其实有好处。

所以有可能，

我们也许不应该将慢等同于不重要。

也许这些看不见的，
我们不放在心上的微生物

实际上对人类是有帮助的。

目前我们所知道的是，

有两种方法让它们在地表下的生活。

第一种是等待食物从地表向下滴流，

这就好像尝试吃从一千年前的
野餐上剩下来的食物。

真是个疯狂的生活方式。

令人吃惊的是，对于很多地球上的
微生物来说，这个方法是可行的。

另外一种方式是，
微生物会觉得，

“我不需要地表世界，

我在这下面挺好的。”

对于选择这条路的微生物来说，

它们为了生存，不得不从地球内部

来获取它们所需求的一切。

实际上，有些东西
对它们来说比较容易获得。

这些东西在地球里面更加充足，

比如水源或者营养，
比如氮、铁和磷，

或者可以居住的地方。

这些是我们在地表世界上
需要靠互相厮杀

来得到的东西。

但是在地表下，它们只需要担心
是否有足够的能量。

在地表上，

当太阳光子照到植物的叶子上时，

它们可以尽快地
将二氧化碳分子转化成美味的糖分。

但是在地表下，当然了，
那里没有阳光，

所以这个生态系统
不得不解决这个问题：

谁来给其它的微生物制造食物。

地表下需要像植物那样的东西，

但是呼吸的是石头。

幸运的是，存在这么一个东西，

叫做化能无机自养生物。

（笑声）

这个单词是由一个微生物
利用化学物质——“chemo”

从石头里——"litho"，

生产食物——"autotroph"。

它们可以用大量不同的元素。

它们可以用硫磺、铁、镁、氮、碳，

其中有些可以直接用纯电子。

就像是，如果你切掉
一个电线的尾部，

它们可以用它呼吸，
就像潜水通气管那样。

（笑声）

这些化能无机自养生物

将这个过程中得到的能量

用来制造食物，就像植物那样。

但是我们知道植物
并不仅仅只是制造食物。

它们也可以制造
一种多余的产物，氧气，

这是我们百分之百赖以生存的东西。

但是这些化能无机自养生物
制造的多余的产物

则是矿物，

比如锈或者黄铁矿，包括愚人金，

或者碳酸盐，包括石灰岩。

我们的微生物，就像石头那样，
变化非常非常慢，

它们从石头里获取能量，

来制造的多余的产物，还是石头。

所以我是在讨论生物，
还是在讨论地理？

这个东西真的很难定义。

（笑声）

如果我要研究微生物，

并且我将要作为一名生物学家

来研究这种行为像石头一样的微生物，

那么，我大概应该开始学习地理了。

那么，地理最酷的部分是什么呢？

火山。

（笑声）

这是从哥斯达黎加的
珀阿斯火山口内部的景象。

地球上许多火山
是由于海洋地壳构造板块

撞上大陆板块而出现的。

当海洋板块下沉

或移动到大陆板块下面时，

像水和二氧化碳以及其它的物质

就被挤压脱离了大陆板块，

就像箍住了一块湿毛巾。

这样一来，俯冲带就成了
通往地壳的传送带，

在这里，地表和地表下的物质
得以相互交换。

最近我收受到一些
在哥斯达黎加的同事邀请，

和他们一起对一些火山进行研究。

当然，我同意了，
因为我觉得哥斯达黎加很漂亮，

但是也是因为哥斯达黎加位于
这其中一个俯冲带的上方。

我们想问一个非常具体的问题：

为什么从这个深埋的海洋板块中

释放出来的二氧化碳

只能来自火山呢？

为什么它没有分部在整个俯冲带？

这和微生物会不会有什么联系？

这是我和我的同事
多纳托·吉欧瓦内利

在珀阿斯火山里的一张照片。

在我们旁边的是一个
由纯蓄电池酸液构成的湖泊，

拍这张照片的时候
我们正在测试pH值。

在某个时刻，

我转过身去对我哥斯达黎加的同事
卡洛斯·拉米雷斯说，

“如果这个东西现在开始喷发，

我们有什么逃生策略吗？”

然后他说，“哦，当然了，
好问题，这非常简单，

转过身欣赏一下这个景象。”

（笑声）

“因为这将是你最后看到的风景。”

（笑声）

这可能听起来是过于夸张了，

但是在54天之后，

这一幕发生了。

观众：啊！

太吓人了，是吧？

（笑声）

这是这个火山在60多年来
发生的最大的一次喷发，

并且在拍完这段视频之后，

拍摄这个视频的摄像机就模糊了，

并且我们曾经取样的整个湖泊

完全蒸发了。

但是我也想申明，

在火山现场的那一天，

我们是非常确定这种事是不会发生的，

因为哥斯达黎加通过
公立大学地震火山观测站

对火山进行了非常细致的观测，

并且那一天也有研究所的
科学家与我们同行。

但是火山喷发完美的说明了

如果你想找二氧化碳

是从海洋板块的哪个位置产生的，

没有比观察火山本身更好的机会了。

但是如果你去哥斯达黎加，

除了火山，你还应该注意到

这里遍地都是舒适的温泉。

这些温泉里的一些水源实际上就是

深埋于海洋板块之下的
气泡上升而成的。

而我们的假设就是二氧化碳应该

会和气泡一起上升，

但是一些地下的东西将它过滤掉了。

所以我们用了两周的时间，
在哥斯达黎加

将我们可以找到的
所有温泉都取样了——

大家都疲惫不堪。

然后我们花了接下来两年时间
测量和分析数据。

如果你不是一个科学家，
我现在告诉你科研发现

一般不会在一个漂亮的温泉里

或者公共演讲台上发生；

它们发生在你弓着腰
坐在一个凌乱的电脑前的时候，

或者你在排查一个
复杂仪器的故障的时候，

或者你在和你的同事视频的时候，

因为你已经完全看不懂数据了。

科研发现就像是
深层地表下的微生物，

这个过程是非常、非常慢的。

但对我们来说，
花这些时间是值得的。

我们发现，表面上，大量的二氧化碳

是来自于这个深埋的海洋板块。

而让它们始终存在于地下

并且让它们无法被释放到空气中的

则是这个深藏于地下的，

在哥斯达黎加所有可爱的树懒
和巨嘴鸟下面的，

化能无机自养生物。

这些微生物和它们周围的化学过程

将二氧化碳转化成碳酸盐矿物，

并且将它们留在在地表之下。

这会让你们感到奇怪：

如果这些地表下的过程如此重要，

可以把地面下产生的
二氧化碳全部吸收，

那它们能不能针对我们地表上的

二氧化碳问题帮上一点忙？

我们知道，人类往空气中
释放了太多的二氧化碳，

以致于减弱了我们的地球

维护生命的能力。

科学家、工程师和企业家们

正在致力于研究将二氧化碳

赶出这些源头的方法，

这样二氧化碳就不会被释放到空气中。

他们还需要将这些二氧化碳
安置在别的地方。

因为这个原因，

我们一直在研究也许能够
储存这些二氧化碳的地方，

或许在地表下，

需要了解当二氧化碳
在那里时可能会发生的事情。

这些深埋于地表下的微生物
是否会成为一个难题，

它们行动非常缓慢，是否
真的可以保存那下面的任何东西？

或者，它们会很有用，

因为它们可以把二氧化碳
转化成固体的碳酸盐矿物？

如果我们可以在哥斯达黎加的研究上

取得重大的科学突破，

想象一下，那下面还会有
什么东西等待着我们去发现。

这个地理生物化学的新领域，
或者深层地下生物学，

或者任何你想称呼的名字，

将会产生巨大的影响，

并不仅仅是缓解气候变化，

而可能是对生命和地球共同进化的理解，

或者是寻找对工业和
医学应用有效的新产品。

或者甚至是预测地震

或者寻找地球以外的生命。

它可能甚至可以帮助
我们理解生命的起源。

幸运的是，在这件事上，
我不是一个人。

我在全世界都有着了不起的同事，

他们闯入了这个深埋于
地表下的世界的奥秘。

看起来好像深埋于地壳的生命

离我们的日常生活非常遥远，
以致于和我们毫无关系。

但是真相就是这个
怪异而又缓慢的生命体

可能实际上有着
我们地球上的生命中蕴含的

一些最大奥秘的答案。

谢谢大家。

（掌声）