泰坦尼克號殘骸將被罕見細菌吞噬消失

大西洋海牀上的泰坦尼克號殘骸 Image copyright Science Photo Library
Image caption 大西洋海牀上的泰坦尼克號殘骸(圖片來源:NOAA/Science Photo Library)

1912年,當泰坦尼克號揚帆首航時,沒人能夠預測到這艘巨輪會變成像現在這樣——一個沉在大西洋海底的生鏽的軀殼。但是至少在那次不幸的跨洋航行後的一百年,這艘船還留下了一點東西。

不過,科學家認為在未來的數十年內,這艘船將蕩然無存,原因是一種細菌正在慢慢蠶食它的鐵殼。

位於納拉甘西特(Narragansett)的羅德島大學(University of Rhode Island)的海洋學教授羅伯特·巴拉德(Robert Ballard)在1985年發現了泰坦尼克號的殘骸。當時只有一小部分人知道,這是一次偶然發現。巴拉德當時正在參與美國海軍的一項秘密任務:尋找冷戰期間沉沒的兩艘美國核潛艇的殘骸。巧合的是,泰坦尼克號剛好位於這兩艘核潛艇殘骸之間。

初次發現時,這艘船保存完好。它位於海平面3.8公里以下,沒有陽光,海水壓力巨大,導致大多數生物都不適宜生存。所以船體的侵蝕緩慢。不過30年後,船體正在生鏽,原因是一種吃金屬的細菌。一些研究人員現在認為只需再過14年,這艘船就會徹底消失。

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Image caption 泰坦尼克號在處女航中沉沒(圖片來源:World History Archive/Alamy)

那麼,關於這種微生物,我們了解多少?

故事要從1991年說起。當時來自加拿大新斯科細亞省(Nova Scotia)哈利法克斯(Halifax)的戴爾豪斯大學(Dalhousie University)的科學家們收集到了泰坦尼克殘骸中像冰錐一樣的生鏽部分。他們把它帶回實驗室,然後發現裏面充滿了生物。

但是直到2010年,在戴爾豪斯大學亨麗埃塔·曼(Henrietta Mann)帶領下的另一組科學家才決定弄清它是何種生物。

他們只分離出一種細菌,結果發現這是科學界從未見過的新種類。曼和她的同事用泰坦尼克號將其命名為"鐵達尼鹽單胞菌"(Halomonastitanicae)。

這種細菌可以在完全不適合地球上大多數生命形式存活的條件下生存:漆黑的水域和巨大的壓力。

但是它繼承了另一種更讓人震驚的訣竅。單胞菌常常生活在另一種極端環境中:鹽鹼地。在鹽鹼地,水中的鹽含量相差巨大,原因是蒸發。而單胞菌通過進化具備了應對這一問題的能力。

當細胞周圍的水過鹹時,細胞會分泌水分,導致細胞收縮,塌陷,然後死亡。不過,鹽分過少也會致命。比如,把紅細胞放在純淨水裏,它會破裂,然後水會湧入細胞。

這兩種情況發生的原因是水會從高水分子區域流向低水分子區域,這一現象被稱為滲透作用。

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Image caption 單胞菌通常生活在鹽鹼地(圖片來源:Stockimo/Alamy)

這意味著什麼?

鹽、糖等小分子都溶於水,填滿空間,這就意味著水本身的空間會變少。當低水分子區域與純淨水接觸時,水會流向前者以達到平衡。這類似於冬天時如果打開房門,屋裏的熱空氣就會衝到外面。因為水可以滲透細胞膜,所以所有的生命形式對外部和內部的鹽含量都非常敏感。

為了阻止細胞破洞或收縮,很多生物會製造出糖、氨基酸等化合物,讓細胞內部的物質濃度與外部保持相對穩定,阻止水的大量流入或流出。

不過,能達到單胞菌這種水平的生物並不多。法國格勒諾布爾(Grenoble)勞厄-朗之萬研究所(Institut Laue-Langevin)的喬·薩開(Joe Zaccai)所在的一個國際研究團隊分析了單胞菌如何在這種極端且多變的條件下生存。他們發現單胞菌利用一種名為"四氫嘧啶(ectoine)"的分子,保護自己免受滲透壓力的傷害。

"假如一個細胞要在鹽度變化很大的環境下生存,它必須找到一種補償方法,調節內部溶液的濃度,"薩開說,"單胞菌會製造四氫嘧啶以平衡滲透壓力。當外部的鹽濃度變化時,它的四氫嘧啶濃度也會做出響應。"

換句話說,水變得越鹹,單胞菌在細胞內製造的四氫嘧啶就越多,以組織水分流出。不過,這種適應力對生物來說非常危險。細胞內積累的物質越多,這些物質就越容易夾在水分子之間,影響到水的獨特屬性。

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Image caption 單胞菌能夠在高濃度的鹽水中生存(圖片來源:incamerastock/Alamy)

水之所以對生命來說時必需的是因為它獨特的原子鍵(被稱為氫鍵)讓它具有溶解能力。其他化合物可以溶解於水中併發生反應。

生命的反應需要在溶液中進行,所以我們的細胞才浸泡在液態水中。更重要的是,負責完成細胞日常工作的蛋白質和酵素RNA和DNA以及賦予它們結構的細胞膜的周圍需要有一層水,才能正常工作。

這層水被稱為水化膜,它對維持蛋白質的正確折疊及其功能至關重要。如果水化膜受到損傷,蛋白質就會分開,導致細胞死亡。

當這種細菌在細胞內積累極高濃度的四氫嘧啶時——研究發現單胞菌製造出的四氫嘧啶佔它總質量的20%——分子必須通過某種方式保持水的這些重要屬性。

為了研究其原理,薩開帶領一批科學家用中子束攻擊單胞菌。中子撞擊到單胞菌上,會被其細胞膜和蛋白質裏原子反彈出來,科學家通過觀察被反彈出來的中子的散亂圖案,了解單胞菌的分子和原子結構。

世界上只有極少的幾個地方有這樣的實驗條件。研究者所在的勞厄-朗之萬研究所是少數幾個中子研究中心之一。

"我們觀察了不同樣品的中子的分散情況,成功發現了四氫嘧啶與蛋白質、細胞膜以及水的作用方式,"薩開說,"四氫嘧啶非但沒有阻礙水,反而加強了水的溶解屬性。"

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Image caption 大西洋海牀上的泰坦尼克號的殘骸(圖片來源:NOAA/Science Photo Library)

結果是,不論細胞內溶解了多少四氫嘧啶,包裹住蛋白質和細胞膜的水化層仍然是100%的水,所以細胞的新陳代謝可以照常進行。這是因為,當四氫嘧啶與水建立氫鍵時,它形成的大塊的聚集物無法附著在蛋白質和細胞膜的表面上,所以只有它們的外層只有純水。

對鐵達尼鹽單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%的水中生長,不過最佳生存環境是2%到8%的鹽溶液。

然而,目前尚不清楚對鹽的容忍度如何對它在船的殘骸上生活起到促進作用,或者說是否起到了作用。

鐵達尼鹽單胞菌不是唯一喜歡生活在沉船上的細菌。當船沉到海牀上以後,很多種微生物都喜歡立刻來這裏殖民。它們會很快在所有表面上建造出一層具有粘性的薄膜,我們稱之為"生物薄膜"。這些生物薄膜是珊瑚、多孔動物和軟體動物的避風港,進而會吸引來較大的動物。

很快,沉船就變成了某種人工珊瑚礁,聚集了大量生物。

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Image caption 墨西哥灣的Vioska Knoll沉船殘骸(圖片來源:BOEM)

古代的木船招致以木頭為生的微生物,而現代的鐵船則吸引鐵達尼鹽單胞菌這種愛吃鐵的細菌。雖然鐵達尼鹽單胞菌最終可能會毀滅泰坦尼克號,但是實際上很多細菌會保護沉船免受侵蝕。所以我們才會有可以追溯到公元前14世紀的沉船殘骸。

2014年,美國海洋能源管理局(US Bureau of Ocean Energy Management)的科學家團隊對沉船上微生物的年代進行了深入研究。他們在墨西哥灣北部研究了七艘沉船,包括一些19世紀的木殼帆船,其中一艘可能是17世紀的木殼帆船,以及三艘二戰中被德國U型潛艇擊沉的鐵殼船。

他們發現輪船的製造材料是決定哪種微生物會受到吸引的關鍵因素。木船上充滿了攻擊並以纖維素、半纖維素或木質素為食的細菌。而鐵船則主要是被喜歡鐵的細菌佔據。

奇怪的是,雖然細菌主要以船為食物,實際上它們發揮了保護輪船不受侵蝕的作用。

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Image caption 遊艇Anona殘骸的船首(圖片來源:BOEM)

位於塔拉哈西(Tallahassee)佛羅里達州大學的海洋考古學家梅蘭妮·達穆爾(Melanie Damour)負責此次遠征,她說:"基本上,任何一艘沉船,不論是19世紀的木船,還是二戰時的鐵殼船,一旦沉到海牀就會有微生物衝來覆蓋所有的表面。"

"首先,船因為接觸海水,所以會開始受到侵蝕,但是隨著微生物開始在殘骸上殖民,船體表面會形成一層生物薄膜,把船與海水隔絶開來,"達穆爾說,"如果你見到的沉船有生鏽的情況,那麼這些腐蝕是在最開始發生的,當時生物薄膜尚未形成。"

這意味著如果對殘骸施加任何機械力,比如錨拖過沉船,都會打破這個保護層,讓金屬再次暴露在海水中,加速侵蝕。

機械作用不是侵蝕加速的唯一原因。2010年墨西哥灣漏油事故導致數百萬噸石油流入墨西哥灣,大部分都進入了深海。研究團隊發現當時洩漏的石油殺死了保護沉船的細菌,從而加速了海牀上沉船的侵蝕。

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Image caption 墨西哥灣的一艘海底沉船(圖片來源:BOEM)

"每種細菌、霉菌和微生物在數百萬年的時間裏都進化出了特定的功能,"達穆爾說。

"有消除硫酸鐵功能的細菌會被吸引到鐵船上,但是另一些細菌喜歡石油組成部分的碳水化合物。所以在2010年漏油事故後,這些細菌大量繁殖。不過,我們發現不是所有的微生物都能夠應付石油和化學分散劑,一些細菌會中毒。即使四年過去了,石油仍然在環境中存在,它對細菌和生物薄膜造成了破壞,導致沉船暴露在海水中,侵蝕作用加速。"

研究結果令人震驚。墨西哥灣的海牀上有2000多艘沉船,從16世紀的西班牙輪船到一戰時的兩艘U型潛艇。這些沉船都是重要的歷史紀念物,它們讓我們能夠以一種獨特的方式認識過去。它們也是深海生物的家園。

但是,這些沉船——包括大西洋的泰坦尼克號———最終都會消耗殆盡,不論是依靠吃鐵的細菌,還是海水的侵蝕作用。這艘47,000噸輪船上所有的鋼鐵都會化為海洋的一部分。最後,其中一部分會進入海洋動物和植物的體內。泰坦尼克號將以此完成回收。

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