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是誰住在深海的大火爐裡?找尋深埋地底的生命訊號

陳俊堯
・2015/12/22 ・2680字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

地底能量從裂縫裡跑出來,可以在海底熱泉區附近養活一大群細菌和動物。那如果這個計畫開始往地心方向前進往下挖,會找到什麼樣的新世界呢?老實說,我也不知道,但是充滿期待。我們對地底下的世界知道得太少,更何況這裡的"地"還得先穿過數千公尺的海水才能碰得到。

IODP Expedition 360 計畫裡有 8 個預期要完成的科學目標,其中第 7 項便是瞭解在這麼深的地方到底有沒有微生物在這裡生活,它們是誰及為什麼它們在這種地方還活得下來。在有海底熱泉的地方,細菌把地底來的能量轉化成養份來供養龐大的海底動物族群。在過去我們早就知道原核生物們(細菌和古菌)無所不在,海底熱泉裡也有菌,那再往下鑽,應該還是會有細菌存在吧?

住在石頭裡,你是桃太郎嗎?

第一個問題。

從海底往下鑽,鑽沒多遠就撞上石頭了。除了桃太郎傳說之外,生物真的有辦法住在石頭裡嗎?

答案是,有的。近十年來已經有相當多研究發現微生物可以在石頭裡生長。像在智利的阿他加馬沙漠,整年無雨,是全球在極地以外最乾燥的地區了。在這種環境,只有住在石頭裡才有機會封住一點水份來生活。在石塊接近表層的地方還能透光,藍綠菌搶在這層吸收光能行光合作用,產生氧氣及養份,來養活石頭裡的其它微生物,一切都在這石頭城裡進行。

最近一篇研究發現在智利的阿他加馬沙漠(Atacama Desert)的石鹽(halite)裡有不少微生物,可以利用由空氣裡凝結的那一點點水來生存。石頭裡的藍綠菌在有水可用時,會開始進行光合作用。石頭裡也發現有細菌能進行氨氧化反應得到能量來存活。有水氣的時候這些反應可以持續好多天,直到再次因為水份不足而進入休眠,跟在石頭外其它沙漠裡等待雨季雨水,短短時間內快轉生活史完成生長生殖後休眠的動植物一模一樣。因此,雖然要動植物在緻密的石頭裡生長繁衍是不可能的,但對微生物來說,確實是個可以達成的目標。

Cryptoendolith
南極岩石裡的微生物群聚,各式顏色來自不同菌種。Source: Guillaume Dargaud 

直搗封存在爛泥岩石裡的暗黑世界

這個深埋在地底的神秘世界被稱做深層生物圈(deep biosphere),學術界早就想要知道到底是什麼三頭六臂的傢伙有本事住在這種地方。有人從礦場往地底鑽,有人從海底往下繼續鑽,都發現地底石頭裡的確有不少微生物存在。

我們來看這篇 2015 年 7 月發表的研究論文。這個研究團隊利用地球號這艘世界最大深海鑽探船,在日本下北半島(Shimokita Peninsula)附近的太平洋海域從海底往下鑽了 1.5-2.5 公里。他們在每個深度的樣本裡都能找到完整的細菌菌體,顯示在每個深度可能都有好好活著的細菌,每立方公分裡的菌量最多還能有 10000隻。對住在這裡的微生物來說,深度 1.5 公里處是條區隔兩個不同環境的界線。在海底表層到 1.5 公里深主要是海洋沉積物,在這段區域裡養份少,菌量從表層開始一路快速下降。在 1.5 公里以下的地層裡,則是出現一層沿岸沉積物一層褐煤層交替出現的組成。有趣的是,原本在海洋沉積物層裡細菌數量持續下降,但是到了褐煤層,菌量會突然大增。在細菌的組成上,他們發現淺層樣本(深度在 365 公尺內)裡出現的菌種是典型的海洋底泥住民,但是在深度超過 1.5 公里的樣本裡,出現的居然是會在陸地森林土壤裡出現的常客們。或許當年原本在岸邊植物土壤裡的細菌,在被埋入海中後,設法一代一代活過了這麼長的時間,撐到了現在。

經過化學成分分析,科學家發現這地層裡的氫氣含量高,足以支持生物生長。而 DNA 序列指出這裡出現的古菌是能利用氫氣做為能源,並且產生甲烷的菌種,做的事跟它們在地面上水田裡的甲烷菌親戚很像。而住在褐煤層裡的細菌可能是利用氫氣及煤層裡的有機物來當做養份生長,才會出現數量大增的現象。

日本這次海底探勘測得的菌量隨鑽井深度的變化圖。出自 Huber JA. 2015. Science 349:376.
日本這次海底探勘測得的菌量隨鑽井深度的變化圖。Source: Huber JA. 2015. Science 349:376.

生命,到底有沒有極限?

生命當然有極限,只是我們目前知道的極限到底是不是真正的極限,會不會很快又被新發現的生物給打破的問題。在目前探勘深層生物圈(deep biosphere)的熱潮中,已經產生了一些來自地底的研究成果,顯示在往地底鑽個幾千公尺後,我們還是可以看到微生物的存在。在那個環境裡有沒有足夠的養份可以給細菌使用,顯然是個重要的決定因子。在前述日本團隊的例子裡可以看到地底下 2.5 公里處已經看不到細菌了,在印度洋西南洋脊的探鑽會下挖 5 到 6 公里,會不會讓我們看到微生物分佈的下限,這是個讓我很期待的結果。

除了養份以外,另一個主要的限制因素是溫度。高溫對細菌來說是個很大的考驗,除了細胞裡的 DNA 和蛋白質這些大分子會因為溫度上升而結構改變,這些分子在高溫下也比較容易損壞掉而需要被修復,平白增加維生時的能量需求。在日本團隊研究的那個地點,溫度在 60 度左右,還在微生物可以適應的範圍裡。在地面上溫泉裡,以台灣自己的例子來看,在安通溫泉 60 度以上的水裡有很多細菌,在大屯火山區超過 90 度的溫泉裡也有細菌(古菌)。全球高溫菌排行榜裡有不少厲害的古菌,像是生長最適溫在 100 度的 Pyrococcus furiosus,分離自海底熱泉的 Pyrolobus fumarii 生長最適溫在 103 度,而同樣來自海底熱泉的 Geogemma barossii  則被證實可以在實驗室用來滅菌的 121 度下可以繼續生長繁殖,連把它放在 130 度下 2 小時也沒辦法消滅它。這 130 度,已經是目前已知生物能好好活著的最高溫度極限了。

在 Expedition 360 計畫裡,如果一路往下到 5 公里深,溫度或許可以到達攝氏 500 度。以現在已知的微生物知識來看,已經遠遠超過細菌能存活的溫度上限。這次探勘應該可以找到目前生物能往下攻佔地點的下限,幫生物圈畫出明確的範圍,也能讓我們瞭解這些游走在生物世界邊緣勇者的身份及絶技。

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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