海底深部沉积物中富含僵尸般的奇特微生物：虽然是活的，但是生长缓慢，可能需要几十年的时间才能使单个细胞分裂，而在海洋表面的同类只需几分钟便能完成。研究表明通过对这些微生物赖以生存的食物——有机碳的研究，有望增进我们对地球甚至是宇宙中生命生存极限的认识。美国Woods Hole海洋中心的Emily R. Estes等，通过研究北大西洋和南太平洋寡营养区的氧化型海底沉积物剖面，揭示出该类型有机碳的化学组成特征与富集机制，并估算了其全球范围的总量，相关成果1月21日发表在Nature Geoscience上。
他们在北大西洋（R/V克诺尔）和南太平洋（R/V雷维尔）中部海域四口钻探井的深海沉积物中，发现了低含量的有机碳分子。沉积物主要由沉积速率低的远洋粘土矿物组成，含氧量为160-200 μm，年龄跨度为11.2-24.0 Ma之间，有机碳含量非常低（<0.3%）且随埋深增加迅速降低（<0.05%）， C/N比也很低亦随深度增加而降低。进一步的近边X射线吸收精细结构光谱分析（NEXAFS）发现，有机碳的化学组成基本一致——在脂族（脂环族）和O-烷基碳的支架中，富含酰胺和羧酸碳（图1），且基本上不随深度和井位的变化而变化。通过对比采集样品与生物分子-环境化合物标准的光谱图，他们认为这些有机碳很可能来自蛋白质降解。
图1 四口研究井的平均NEXAFS光谱与标样的比较图。为了做对比把谱图摆放在一起，其中蛋白质谱图标准为牛血清蛋白，垂直虚线从左到右分别标出了芳香碳（285.4 eV）、脂肪族碳（287.6 eV）、 酰胺和羧酸碳（288.7 eV）和O-烷基碳（289.4 eV）近似的峰值的位置，a.u.为任意单位
通常，在氧化环境中微生物以氧气为新陈代谢的燃料，通过降解有机碳来生成细胞并重建自己的结构和细胞器。大西洋和太平洋的深海寡营养区沉积物富氧，有机碳含量很低，在正常条件下，有机碳是稀缺资源，会成为微生物争抢的“美餐”，但不知何故，这些碳不太受欢迎，表现为过量的有机碳剩余。以往的研究认为微生物之所以没有“吃掉”多余的碳，是因为有机碳以一种无法代谢的形式出现，但文章认为这些有机物是可以被微生物降解的，一个更合理的解释是：有机碳与沉积物中的矿物融合，导致其无法被微生物直接利用，因此幸存至今。文章还提供了第三种，也可能是最主要的机制：在海底深部沉积物中，由于有机碳分布稀疏，微生物运动迟缓，无法获取足够量的碳来维持快速的新陈代谢活动。从微生物的角度来看，当微生物自身活动、扩散能力低，而其赖以生长的营养物质（有机碳）以物理隔绝的“孤岛”形式存在时，微生物将无法有效利用这些营养物质，因此生长停滞。
文章还通过远洋基底年龄、沉积物厚度、全球氧化远洋沉积物面积等参数，结合本次研究中有机碳丰度剖面，估算出该类型有机碳含量大致在6.4×1021-1.6×1022 g之间，占现代海洋有机碳总量的～50%-120% （图2）。海底氧化条件下沉积物中的碳库比我们想象的要多得多，其含量此前被大大低估了。
图2 全球氧化远洋沉积物中有机碳含量估算。a、b.分别通过有机碳丰度剖面与氧化远洋沉积物年龄（a）和深度（b）的关系计算得出的有机碳含量，据D'Hondt et al. (2015)报道的相关沉积物的等厚线图，氧化沉积物最大厚度分别假定为100 m （顶部图）和80 m（底部图）；c.计算得到有机碳总量的范围为6.4×1021-1.6×1022g
主要参考文献
D’Hondt S, Inagaki F, Zarikian C A, et al. Presence of oxygen and aerobic communities from sea floor to basement in deep-sea sediments[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(4): 299.（原文链接）
Estes E R, Pockalny R, D’Hondt S, et al. Persistent organic matter in oxic subseafloor sediment[J]. Nature Geoscience, 2019,12:126–131.（原文链接）
（撰稿：姜磊/油气室）
