地球上大多数生态系统都由多种不同的物种组成，生命错综复杂地交织在一起，相互作用、竞争和合作，以求生存。但并非总是如此——在南非，在一座金矿的黑暗深处，存在着一个由单一物种组成的生态系统，这是一种细菌，是炙热、无氧深处唯一的生命。这是一个单一物种的生态系统，完全与太阳能隔绝。
这个令人难以置信且独特的栖息地是由劳伦斯伯克利国家实验室的 Dylan Chivian 发现的，他领导着一个来自 15 个研究所的庞大科学家团队。该团队对研究 极端微生物 产生了兴趣，这些细菌生活在地球上最不适宜生存的条件下——在这种情况下，是地壳的岩石。在地下数公里或更深的深度，细菌面临着与陆地或海洋中的同类截然不同的挑战，包括 60 摄氏度的高温，以及缺乏阳光、氧气和营养。
能够应对这些挑战的物种对生物学家来说很有趣，因为它们能揭示生命如何在生存边缘以及潜在地在其他行星上得以延续。为了寻找这些物种，Chivian 的细菌猎人团队在南非的 Witwatersrand 盆地的一系列矿井中开展工作。在一次行动中，他们从近 3 公里深的岩石裂缝中收集了超过 5000 升的积水。
他们使用了一种名为“宏基因组学”的技术来提取和分析样本中的所有 DNA。宏基因组学允许科学家研究任何给定栖息地内的隐藏世界，并识别生活在那里的多种细菌和其他微生物。通常，这项技术可以提供有趣的概览，但无法提供当地物种的完整普查。但在深层水中，Chivian 发现了惊喜。所有的 DNA 都属于一种单一的细菌物种，他们将其命名为Candidatus Desulforudis audaxviator。
这个名字很贴切；“audaxviator”意为“大胆的旅行者”，来源于儒勒·凡尔纳小说《地心游记》中的一句引语。该物种的基因此前曾从其他地壳样本中分离出来，但这是第一次在完全隔离的状态下发现它。在很大程度上，这个单一的群体共享一个基因组。其种群的遗传多样性极低。在其构成基因组的 230 万个碱基对中，只有 32 个显示出出现一次以上的突变。D.audaxviator 并不追求个性。
Chivian 认为，矿井中不太可能有其他微生物依附者，因为他使用的方法过去曾成功地分离出其他微生物的 DNA。他识别出的序列中约有 0.1% 不符合主要基因组，但 Chivian 认为这些来自污染的物种，其中大部分是在实验室中被污染的，还有一些来自矿井更深处的岩石。如果存在与D.audaxviator 共享同一空间的物种，它们在水中细菌中的占比最多约为 0.035%，并且会被占主导地位的物种以 5000 倍的比例压倒。
D.audaxviator 的基因揭示了它的能力和身份，这些都支持它是在矿井深处唯一存在的生物的观点。这种细菌拥有独立生存所需的所有代谢能力。它从周围岩石中的矿物质中获取所有必需的营养，使用硫酸根离子代替氧气，并从溶解在周围水中的氨和二氧化碳中获取氮和碳。它甚至可以通过回收自身死亡细胞来获得额外的营养。
它可以形成名为内孢子的坚硬外壳，以保护自己免受脱水或毒素侵害，它拥有能够感知营养的基因，并且可以产生鞭毛的组成部分——这是细菌用来移动的鞭状尾巴。事实上，与其他细菌相比，它唯一缺乏的技能之一是处理氧代谢过程中产生的危险化学副产物的能力。但话说回来，在一个缺乏通常必需气体的环境中，它几乎不需要这样的技能。
许多极端微生物通过减缓繁殖能力来生存，需要数百年甚至数千年才能分裂，并将其基因组缩减到仅限于基本必需品。但D.audaxviator 并非如此——它保留了与其他自由生活的细菌相当的基因组大小。它的许多能力都源于它从另一个充斥着极端微生物的王国——古菌——那里自由“窃取”的蛋白质。这些遗传物质的借用，是在它移入金矿之前完成的，是它在这个最不适宜居住的环境中取得成功的关键。
参考文献: D. Chivian, E. L. Brodie, E. J. Alm, D. E. Culley, P. S. Dehal, T. Z. DeSantis, T. M. Gihring, A. Lapidus, L.-H. Lin, S. R. Lowry, D. P. Moser, P. M. Richardson, G. Southam, G. Wanger, L. M. Pratt, G. L. Andersen, T. C. Hazen, F. J. Brockman, A. P. Arkin, T. C. Onstott (2008). Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth Science, 322 (5899), 275-278 DOI: 10.1126/science.1155495
图片: Greg Wanger 和 Gordon Southam
