客观日本

日本海洋研究开发机构深海钻探,调查海底生物圈及其温度极限

2021年01月12日 海洋宇宙

本文根据日本海洋研究开发机构成果发布编译整理而成

日本国立研究开发法人海洋研究开发机构研究平台运用开发部门地幔钻探推进室的稻垣史生室长和超先锐研究开发部门高知岩芯研究所地球微生物学研究团队的诸野祐树主任研究员等人,与德国不来梅大学、美国罗德岛大学和日本高知大学等合作,利用深海钻探船“地球号”,从高知县室户岬海域的南海海沟俯冲带顶端的海底(水深4776m、1.7℃)采集了深度最大为1180m、温度最高为120℃的沉积物岩芯样本,详细分析了栖息在海底环境中的微生物的分布情况、间隙水中的化学成分、沉积物的物理性质及温度等数据,由此明确了室户岬海域的地质环境和温度条件下的海底生物圈实态及其极限。

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图1:IODP第370次研究航海对高知县室户岬海域南海海沟俯冲带顶端位置实施钻探的地点(地点C0023)。以前利用美国钻探船乔迪斯·决心号实施过国际大洋钻探计划(ODP)第131次研究航海(地点808)和第190及196次研究航海(地点1174),报告了详细的地质结构以及地壳热流量比周边区域高的现象。

以往的研究表明,在地质学时间尺度上形成的海底沉积物中栖息着尚未被培育出来的固有微生物。这些微生物活动被认为在全球的物质循环中发挥着重要作用,比如海水中埋藏的有机物的分解和甲烷水合物的形成。不过,有很多根本性的疑问一直没有获得解释,包括生物圈在海底的蔓延深度,以及决定其极限的环境因素等。

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综合大洋钻探计划(IODP)的介绍视频(youtu.be/QWj3tFQnl5o

为解开这些科学谜团,2016年综合大洋钻探计划(IODP)利用深海钻探船“地球号”和高知岩芯中心的研究设施,实施了第370次研究航海“室户海域极限生物圈钻探调查:T-Limit”。由此发现,沉积物上部的低温~常温环境中的微生物细胞密度会随着温度(深度)的升高而降低,温度达到约45℃以上时,每立方厘米的细胞数量减至100个以下。另外,还在40-45℃的深度区间和75-90℃的深度区间发现了内生孢子的密度局部增加的现象。此外还发现,在45℃以上的高温环境中,板块边界断层下部的90-100℃的环境中存在未检测到微生物细胞的深度区间,由于没有微生物消耗,该区域存在高浓度的乙酸。而在更深的110-120℃沉积物-基底岩边界区域发现了表示存在超嗜热微生物生态系统的多种特征,比如表示乙酸生成了甲烷的化学成分浓度变化和碳同位素成分变化,以及细胞密度增加等。

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图2:IODP第370次研究航海从钻探地点C0023采集的沉积物岩芯样本中含有的微生物细胞和内生孢子的密度及环境因素的垂直剖面图。(A)利用荧光染料(SYBR Green I)染色的微生物细胞的密度图。细胞密度高于定量下限值的图用●表示,低于定量下限值的图用○表示。(B)通过对内生孢子的特异性生物标志物二吡啶甲酸进行定量分析推算的内生孢子密度图。(C)沉积物间隙水中的盐分浓度、温度和沉积学特征的概略图。盐分浓度沿基岩方向增加,表明受到基岩(玄武岩)蚀变影响的流体被送向沉积物一侧。灰色区间表示没有通过荧光染色法和二吡啶甲酸明显检测出微生物细胞及内生孢子的深度(570-633m及829-1021m)。

此次的研究结果表明,不仅是现场温度及营养和能量状态,室户岬海域南海海沟俯冲带顶端部分的地质学发展过程和流体移动过程还对海底深处环境中的生命栖息条件(适居性)产生了重要影响。另外,在海洋板块俯冲带,即使是在最高120℃的沉积物-基岩边界区,也检测出了生命信号,表明生物圈在地球上最远可能延伸到了海洋板块俯冲带之外以及蔓延到沉积物下方的岩石圈(海洋地壳和上地幔)。

论文信息
题目:Temperature limits to deep subseafloor life in the Nankai Trough subduction zone
期刊:Science
URL:science.sciencemag.org/content/370/6521/1230.abstract

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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