水分活度|對微生物的新研究擴大了地球及其他地方生命的已知極限
斯坦福大學科學家領導的新研究預測，生命可以在極度含鹽的環境中持續存在，超出了之前認為可能的極限。
這項研究于12月22日發表在《科學進展》上，基于對南加州海岸工業池塘鹽水中發現的數千個單個細胞的代謝活動的分析，在那里，水從海水中蒸發以收獲鹽。這些結果擴大了我們對整個太陽系潛在宜居空間的理解，以及對一些地球水生棲息地因干旱和水轉移而變得更咸可能產生的后果的理解。
斯坦福杜爾可持續發展學院地球系統科學助理教授、**研究作者安妮·德卡斯（AnneDekas）表示：“我們不可能到處尋找，因此我們必須認真考慮在哪里以及如何在其他行星上尋找生命。"。“擁有盡可能多的關于生命在地球端極環境中的生存地點和方式的信息，使我們能夠優先考慮其他地方的生命探測任務目標，并增加我們成功的機會。"
對探測地球以外生命感興趣的科學家長期以來一直在研究鹽分環境，他們知道液態水是生命所必需的，而鹽可以讓水在更廣泛的溫度范圍內保持液態。鹽還可以保存生命跡象，就像鹽水中的泡菜一樣。“我們認為含鹽的地方是尋找過去或現在生命跡象的良好候選者，"該研究的主要作者、德卡斯實驗室的地球系統科學博士生艾米麗·帕里斯（EmilyParis）說?！胞}可能正是使另一個星球適合居住的東西，盡管它也是地球上高濃度生命的抑制劑。"
這項新研究是一項名為“跨時空海洋"的大型合作的一部分，該合作由康奈爾大學教授布蘭妮·施密特領導，并由美國宇航局天體生物學計劃資助，該計劃匯集了微生物學家、地球化學家和行星科學家。他們的目標是：了解海洋世界和生命如何共同進化以產生可檢測的過去或現在的生命跡象。了解海洋世界適宜居住的條件，并開發更好的方法來檢測生物活動信號，是預測太陽系其他地方可能發現生命的步驟。
帕里斯表示，我們還應該考慮鹽度變化如何影響地球上的生態系統。例如，猶他州大鹽湖水位下降導致鹽度增加，這可能會影響食物鏈上游的生命。
帕里斯說：“除了生命探測的角度之外，了解鹽度的影響對于地球的保護和可持續發展也很重要。"“我們的研究表明鹽度增加如何改變微生物群落組成和微生物代謝率。這些因素會影響營養循環以及甲殼類動物和昆蟲的生命，它們是候鳥和其他水生動物的重要食物來源。
地球上*咸的水域
旅客飛越鹽池，例如南灣鹽廠（本研究的樣本就是在那里收集的），或者沿著舊金山灣飛行，可以看到地球上一些活躍的微生物發出霓虹綠、鐵銹紅、粉紅色和橙色的萬花筒般的光芒。拼湊而成的顏色反映了適應在不同鹽度水平下生存的水生微生物的排列，或者科學家所說的“水分活度"——可用于微生物生長的生物反應的水量。
“我們很想知道什么時候水分活度變得太低，鹽度變得太高，以及微生物生命在什么時候無法生存，"帕里斯說。海水的水分活度約為0.98，而純水的水分活度為1。大多數微生物在水分活度低于0.9時停止分裂，據報道，在實驗室環境中維持細胞分裂的**低*水分活度水平剛剛超過0.63。
在這項新研究中，研究人員預測了新的生命極限。他們估計生命在低至0.54的水平下就可能很活躍。
斯坦福大學的科學家與來自國內各地的同事合作，從南灣鹽場收集樣本，該鹽場是地球上一些*咸水域的所在地。他們從鹽廠不同鹽度的池塘里裝滿了數百個瓶子，然后將它們運回斯坦福大學進行分析。
現場水分活度測試由美國METERGroup,Inc.公司的AquaLab4TE水分活度儀完成。
更快地尋找生命
此前尋找生命水分活度極限的研究使用純培養物來尋找細胞分裂停止的點，標志著生命的終點。但在這些端極條件下，生命緩慢地痛苦地翻倍。如果研究人員依靠細胞分裂來測試生命何時停止，他們將面臨長達數年的實驗室實驗，而這對于巴黎這樣的研究生來說是不切實際的。即使進行了細胞分裂研究，也無法表明生命何時死亡。事實上，細胞可能具有代謝活性，并且即使在不進行復制時仍然非?；钴S。
因此，帕里斯和德卡斯研究了露天鹽池中的微生物，以確定不同的生命極限——細胞活動的極限。
研究團隊對之前的研究做出了三項關鍵改進。首先，他們沒有使用純培養物（這是科學家對哪種特定微生物物種或菌株彈性的標準*佳猜測），而是進入了實際的生態系統。在鹽廠，環境自然選擇了適合*這些特定條件的復雜生物群落。
其次，研究人員對生命使用了更靈活的定義。他們不僅認為細胞分裂，而且將細胞構建視為生命的標志?！斑@有點像觀察一個人吃飯或成長。這是活躍生命的標志，也是復制的必要先驅，但觀察速度要快得多，"德卡斯說。
在數百個鹽水樣本中（其中一些樣本非常咸，像糖漿一樣濃稠），他們確定了水分活度水平，以及鹽水中的細胞中含有多少碳和氮。通過這種方法，他們能夠檢測到細胞的生物量何時增加了1%的一半。相比之下，專注于細胞分裂的傳統方法只能在細胞生物量大致翻倍后檢測生物活性。然后，根據這個過程隨著水分活動的減少而減慢，科學家們預測它的截止將全完停止。
第三，雖然其他科學家已經大量測量了鹽水中碳和氮的摻入量，但斯坦福大學團隊使用斯坦福大學一種名為nanoSIMS的罕見儀器進行了逐個細胞分析，該儀器是該國僅有的少數儀器之一。這種靈敏的技術使他們能夠觀察其他“腌制"細胞中單個細胞的活動，這些細胞的存在會掩蓋批量分析中的活動信號，并達到較低的檢測限。
“環境樣本的單細胞活性分析仍然相當罕見，"德卡斯說。“這是我們分析的關鍵，隨著它的應用越來越廣泛，我認為我們將看到微生物生態學方面的進展，從了解全球氣候到人類健康，這些進展具有廣泛的相關性。我們才剛剛開始在單細胞水平上了解微生物世界。"
