泰坦尼克号残骸将被罕见细菌吞噬消失

大西洋海床上的泰坦尼克号残骸 Image copyright Science Photo Library
Image caption 大西洋海床上的泰坦尼克号残骸(图片来源:NOAA/Science Photo Library)

1912年,当泰坦尼克号扬帆首航时,没人能够预测到这艘巨轮会变成像现在这样——一个沉在大西洋海底的生锈的躯壳。但是至少在那次不幸的跨洋航行后的一百年,这艘船还留下了一点东西。

不过,科学家认为在未来的数十年内,这艘船将荡然无存,原因是一种细菌正在慢慢蚕食它的铁壳。

位于纳拉甘西特(Narragansett)的罗德岛大学(University of Rhode Island)的海洋学教授罗伯特·巴拉德(Robert Ballard)在1985年发现了泰坦尼克号的残骸。当时只有一小部分人知道,这是一次偶然发现。巴拉德当时正在参与美国海军的一项秘密任务:寻找冷战期间沉没的两艘美国核潜艇的残骸。巧合的是,泰坦尼克号刚好位于这两艘核潜艇残骸之间。

初次发现时,这艘船保存完好。它位于海平面3.8公里以下,没有阳光,海水压力巨大,导致大多数生物都不适宜生存。所以船体的侵蚀缓慢。不过30年后,船体正在生锈,原因是一种吃金属的细菌。一些研究人员现在认为只需再过14年,这艘船就会彻底消失。

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Image caption 泰坦尼克号在处女航中沉没(图片来源:World History Archive/Alamy)

那么,关于这种微生物,我们了解多少?

故事要从1991年说起。当时来自加拿大新斯科细亚省(Nova Scotia)哈利法克斯(Halifax)的戴尔豪斯大学(Dalhousie University)的科学家们收集到了泰坦尼克残骸中像冰锥一样的生锈部分。他们把它带回实验室,然后发现里面充满了生物。

但是直到2010年,在戴尔豪斯大学亨丽埃塔·曼(Henrietta Mann)带领下的另一组科学家才决定弄清它是何种生物。

他们只分离出一种细菌,结果发现这是科学界从未见过的新种类。曼和她的同事用泰坦尼克号将其命名为"铁达尼盐单胞菌"(Halomonastitanicae)。

这种细菌可以在完全不适合地球上大多数生命形式存活的条件下生存:漆黑的水域和巨大的压力。

但是它继承了另一种更让人震惊的诀窍。单胞菌常常生活在另一种极端环境中:盐碱地。在盐碱地,水中的盐含量相差巨大,原因是蒸发。而单胞菌通过进化具备了应对这一问题的能力。

当细胞周围的水过咸时,细胞会分泌水分,导致细胞收缩,塌陷,然后死亡。不过,盐分过少也会致命。比如,把红细胞放在纯净水里,它会破裂,然后水会涌入细胞。

这两种情况发生的原因是水会从高水分子区域流向低水分子区域,这一现象被称为渗透作用。

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Image caption 单胞菌通常生活在盐碱地(图片来源:Stockimo/Alamy)

这意味着什么?

盐、糖等小分子都溶于水,填满空间,这就意味着水本身的空间会变少。当低水分子区域与纯净水接触时,水会流向前者以达到平衡。这类似于冬天时如果打开房门,屋里的热空气就会冲到外面。因为水可以渗透细胞膜,所以所有的生命形式对外部和内部的盐含量都非常敏感。

为了阻止细胞破洞或收缩,很多生物会制造出糖、氨基酸等化合物,让细胞内部的物质浓度与外部保持相对稳定,阻止水的大量流入或流出。

不过,能达到单胞菌这种水平的生物并不多。法国格勒诺布尔(Grenoble)劳厄-朗之万研究所(Institut Laue-Langevin)的乔·萨开(Joe Zaccai)所在的一个国际研究团队分析了单胞菌如何在这种极端且多变的条件下生存。他们发现单胞菌利用一种名为"四氢嘧啶(ectoine)"的分子,保护自己免受渗透压力的伤害。

"假如一个细胞要在盐度变化很大的环境下生存,它必须找到一种补偿方法,调节内部溶液的浓度,"萨开说,"单胞菌会制造四氢嘧啶以平衡渗透压力。当外部的盐浓度变化时,它的四氢嘧啶浓度也会做出响应。"

换句话说,水变得越咸,单胞菌在细胞内制造的四氢嘧啶就越多,以组织水分流出。不过,这种适应力对生物来说非常危险。细胞内积累的物质越多,这些物质就越容易夹在水分子之间,影响到水的独特属性。

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Image caption 单胞菌能够在高浓度的盐水中生存(图片来源:incamerastock/Alamy)

水之所以对生命来说时必需的是因为它独特的原子键(被称为氢键)让它具有溶解能力。其他化合物可以溶解于水中并发生反应。

生命的反应需要在溶液中进行,所以我们的细胞才浸泡在液态水中。更重要的是,负责完成细胞日常工作的蛋白质和酶RNA和DNA以及赋予它们结构的细胞膜的周围需要有一层水,才能正常工作。

这层水被称为水化膜,它对维持蛋白质的正确折叠及其功能至关重要。如果水化膜受到损伤,蛋白质就会分开,导致细胞死亡。

当这种细菌在细胞内积累极高浓度的四氢嘧啶时——研究发现单胞菌制造出的四氢嘧啶占它总质量的20%——分子必须通过某种方式保持水的这些重要属性。

为了研究其原理,萨开带领一批科学家用中子束攻击单胞菌。中子撞击到单胞菌上,会被其细胞膜和蛋白质里原子反弹出来,科学家通过观察被反弹出来的中子的散乱图案,了解单胞菌的分子和原子结构。

世界上只有极少的几个地方有这样的实验条件。研究者所在的劳厄-朗之万研究所是少数几个中子研究中心之一。

"我们观察了不同样品的中子的分散情况,成功发现了四氢嘧啶与蛋白质、细胞膜以及水的作用方式,"萨开说,"四氢嘧啶非但没有阻碍水,反而加强了水的溶解属性。"

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Image caption 大西洋海床上的泰坦尼克号的残骸(图片来源:NOAA/Science Photo Library)

结果是,不论细胞内溶解了多少四氢嘧啶,包裹住蛋白质和细胞膜的水化层仍然是100%的水,所以细胞的新陈代谢可以照常进行。这是因为,当四氢嘧啶与水建立氢键时,它形成的大块的聚集物无法附着在蛋白质和细胞膜的表面上,所以只有它们的外层只有纯水。

对铁达尼盐单胞菌的初步研究表明它可以在最小密度0.5%到最大密度25%的水中生长,不过最佳生存环境是2%到8%的盐溶液。

然而,目前尚不清楚对盐的容忍度如何对它在船的残骸上生活起到促进作用,或者说是否起到了作用。

铁达尼盐单胞菌不是唯一喜欢生活在沉船上的细菌。当船沉到海床上以后,很多种微生物都喜欢立刻来这里殖民。它们会很快在所有表面上建造出一层具有粘性的薄膜,我们称之为"生物薄膜"。这些生物薄膜是珊瑚、多孔动物和软体动物的避风港,进而会吸引来较大的动物。

很快,沉船就变成了某种人工珊瑚礁,聚集了大量生物。

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Image caption 墨西哥湾的Vioska Knoll沉船残骸(图片来源:BOEM)

古代的木船招致以木头为生的微生物,而现代的铁船则吸引铁达尼盐单胞菌这种爱吃铁的细菌。虽然铁达尼盐单胞菌最终可能会毁灭泰坦尼克号,但是实际上很多细菌会保护沉船免受侵蚀。所以我们才会有可以追溯到公元前14世纪的沉船残骸。

2014年,美国海洋能源管理局(US Bureau of Ocean Energy Management)的科学家团队对沉船上微生物的年代进行了深入研究。他们在墨西哥湾北部研究了七艘沉船,包括一些19世纪的木壳帆船,其中一艘可能是17世纪的木壳帆船,以及三艘二战中被德国U型潜艇击沉的铁壳船。

他们发现轮船的制造材料是决定哪种微生物会受到吸引的关键因素。木船上充满了攻击并以纤维素、半纤维素或木质素为食的细菌。而铁船则主要是被喜欢铁的细菌占据。

奇怪的是,虽然细菌主要以船为食物,实际上它们发挥了保护轮船不受侵蚀的作用。

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Image caption 游艇Anona残骸的船首(图片来源:BOEM)

位于塔拉哈西(Tallahassee)佛罗里达州大学的海洋考古学家梅兰妮·达穆尔(Melanie Damour)负责此次远征,她说:"基本上,任何一艘沉船,不论是19世纪的木船,还是二战时的铁壳船,一旦沉到海床就会有微生物冲来覆盖所有的表面。"

"首先,船因为接触海水,所以会开始受到侵蚀,但是随着微生物开始在残骸上殖民,船体表面会形成一层生物薄膜,把船与海水隔绝开来,"达穆尔说,"如果你见到的沉船有生锈的情况,那么这些腐蚀是在最开始发生的,当时生物薄膜尚未形成。"

这意味着如果对残骸施加任何机械力,比如锚拖过沉船,都会打破这个保护层,让金属再次暴露在海水中,加速侵蚀。

机械作用不是侵蚀加速的唯一原因。2010年墨西哥湾漏油事故导致数百万吨石油流入墨西哥湾,大部分都进入了深海。研究团队发现当时泄漏的石油杀死了保护沉船的细菌,从而加速了海床上沉船的侵蚀。

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Image caption 墨西哥湾的一艘海底沉船(图片来源:BOEM)

"每种细菌、霉菌和微生物在数百万年的时间里都进化出了特定的功能,"达穆尔说。

"有消除硫酸铁功能的细菌会被吸引到铁船上,但是另一些细菌喜欢石油组成部分的碳水化合物。所以在2010年漏油事故后,这些细菌大量繁殖。不过,我们发现不是所有的微生物都能够应付石油和化学分散剂,一些细菌会中毒。即使四年过去了,石油仍然在环境中存在,它对细菌和生物薄膜造成了破坏,导致沉船暴露在海水中,侵蚀作用加速。"

研究结果令人震惊。墨西哥湾的海床上有2000多艘沉船,从16世纪的西班牙轮船到一战时的两艘U型潜艇。这些沉船都是重要的历史纪念物,它们让我们能够以一种独特的方式认识过去。它们也是深海生物的家园。

但是,这些沉船——包括大西洋的泰坦尼克号———最终都会消耗殆尽,不论是依靠吃铁的细菌,还是海水的侵蚀作用。这艘47,000吨轮船上所有的钢铁都会化为海洋的一部分。最后,其中一部分会进入海洋动物和植物的体内。泰坦尼克号将以此完成回收。

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