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泰坦尼克號殘骸正被“吃光” 很快將徹底消失?

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據BBC報道,有些報道暗示,由于受到微生物侵蝕分解,泰坦尼克號可能在20年內徹底消失。但另一方面,有些細菌可能正幫助保護這艘沉船,不至于讓它在短期內腐爛崩解。

當泰坦尼克號于1912年開始其處女航時,沒人能預測到這艘華麗的游輪會變成如今的模樣:銹跡斑斑地躺在安靜的大西洋海底。但在其命運多舛的大西洋之旅100多年后,這艘游輪依然保留下許多殘骸。然而,科學家們認為,在幾十年內,這艘巨輪可能什么都剩不下,徹底在世界上消失。因為有一些專門以吃鐵殼為生的細菌,正慢慢將泰坦尼克號“吃光”。

美國羅德島大學海洋學家羅伯特·巴拉德(Robert Ballard)于1985年發現泰坦尼克號殘骸。鮮為人知的是,當時巴拉德當時正參與美國海軍的一項秘密任務,幫助確定兩艘在冷戰期間沉沒的美國核潛艇殘骸的位置,而泰坦尼克號只是他們偶然發現的產物。當時,它正好在兩艘核潛艇殘骸之間被發現。

泰坦尼克號最初被發現時,它保存的相當完好。位于水面3800米之下,缺少陽光照射和巨大的水壓,導致那里不適合大多數生命生存,這減緩了它受腐蝕的速度。然而30年后,由于受到以咀嚼金屬為生的細菌侵蝕,泰坦尼克號的船殼已經消失。有些研究人員預測,這艘沉船很可能在14年內徹底消失。


圖:泰坦尼克號在處女航時撞上冰山沉沒

那么,這種正吃掉泰坦尼克號的細菌到底為何方神圣?我們的故事始于1991年,當時加拿大達爾豪西大學的科學家收集銹跡形成的、類似冰柱的銹衣樣本,它們就懸掛在沉船上。研究人員將它們帶回實驗室,發現它們似乎屬于生命體。但是直到2010年,由達爾豪西大學科學家亨利埃塔·曼恩(Henrietta Mann)領導的另一個團隊,才最終確認了這種生命體到底是什么。

曼恩等人分離出一種細菌,然后發現了一門全新學科。曼恩和同事們以泰坦尼克號為其命名,取名Halomonas titanicae。這種細菌可在地球上大多數生命形態完全不適合生存的環境中存活,即沒有光線、壓力巨大的深水中。但它具備驚人的能力,甚至可生活在其他極端環境中,比如鹽沼。在這種環境中,由于不斷蒸發,水會急劇減少,鹽度則會大幅上升。而Halomonas titanicae可以根據環境進化,以應對不同的問題。

如果細胞所處的環境鹽度太高,水就會從細胞中擠出來,導致細胞萎縮、崩潰和死亡。可是,鹽分太少也可能引發致命影響。舉例來說,血細胞放入純水中,會因“洪水泛濫”而破裂。這些現象之所以會發生,是由水的特性決定的,水傾向于從高濃度區向低濃度區移動,這種現象被稱為滲透。


圖:Halomonas titanicae也經常在鹽沼中被發現

這意味著什么?鹽、糖以及其他小分子都會在水中溶解,堵塞和占用空間。這意味著,水本身的空間就會減少。當這些低水區與純水接觸時,水就會涌入以恢復平衡。這就像在冬天時,當你打開房門時,熱空氣會沖出房間一樣。由于細胞膜是透水的,這意味著所有的生命形態對內部和外部鹽度水平變化都非常敏感。

為了阻止細胞破裂或萎縮,許多物種會產生像糖、氨基酸這樣的化合物,以保持細胞內外物質濃度相對穩定,比如阻止水大量涌入或大量流出。可是,并沒有太多微生物擁有Halomonas titanicae那樣的能力。法國勞厄-朗之萬學院的喬·扎開(Joe Zaccai)曾參加一個國際科學家團隊,分析細菌如何在極端環境中生存。他們發現,Halomonas titanicae利用名為四氫嘧啶的分子,保護其不受滲透壓力的影響。

扎開說:“如果一個細胞能在鹽度波動的環境中生存,它必定存在某種特殊能力,可以調節其內部溶液的濃度。Halomonas titanicae可以產生四氫嘧啶,以抵消外部的滲透壓力。當外部鹽度波動時,其內部濃度也會隨之變化。”換言之,水的鹽度越高,細菌細胞內部產生的四氫嘧啶越多,以便阻止外部水滲透到細胞內部。然而,對于有機體來說,這種調節也非常危險。細胞內積累的物質越多,進入水分子的物質越多,從而破壞了水的獨特性。


圖:Halomonas titanicae可在高鹽度環境中生存

對于生命來說,水之所以如此重要,是因為水是原子之間的連接鍵(或稱氫鍵),充當溶劑的作用。其他化學物質可溶解在水中,或產生反應。生命的反應需要在溶劑中發生,這也是為何我們的細胞總是沐浴在液態水中的原因。此外,RNA、DNA、負責執行細胞日常工作的蛋白質和酶以及賦予它們結構的膜等,都需要在水的包裹下才能發揮作用。

這層水被稱為“水化殼”,對于維持蛋白質正確折疊非常重要。如果這個過程被打斷,蛋白質就會分解或分離,進而導致細胞死亡。研究顯示,Halomonas titanicae細菌顯然能夠在細胞內積累非常多的四氫嘧啶,最多可占微生物質量的20%,而分子必須以某種方式保留水的重要屬性。

為了解開這個謎題,扎開領導的研究團隊用中子束轟擊這種細菌。通過觀察微生物細胞膜和蛋白質中原子的中子反彈產生的分散模式,科學家們能夠觀察到分子和原子水平上的結構。世界上只有甚少的地方適合進行此類實驗,勞厄-朗之萬學院是世界上少數幾個中子研究中心之一。扎開說:“通過觀察中子如何以不同的方式分散,我們成功確定了四氫嘧啶在蛋白質和細胞膜中的行為,更重要的是,也確定了其在水中的行為。四氫嘧啶并非進行干預,而是增強對于生物來說必不可少的水的溶解性。”


圖:靜靜躺在大西洋海底的泰坦尼克號殘骸

事實證明,無論有多少四氫嘧啶溶解在細胞內,包圍蛋白質和細胞膜的水層中依然是百分之百的純水,這可保證細胞的新陳代謝功能正常。這是因為,當四氫嘧啶與水形成氫鍵時,它會形成更大的簇,不適合附在蛋白質和細胞膜表面上,為此只能存在于純水中。

對Halomonas titanicae的初步調查顯示,它能在最少相當于自身體重0.5%的水中生長,也可在最多相當于自身體重25%的水中生存,盡管它的最佳生存濃度為2%到8%之間。可是,現在依然不清楚,這種耐鹽性是否有助于其在沉船上生存。

Halomonas titanicae不是唯一喜歡在沉船中生存的細菌,還有許多微生物棲息在海底的沉船中。它們很快在沉船表面上形成粘膜(即生物膜),這些生物膜就像珊瑚、海綿以及軟體動物的天堂,反過來又會吸引更大的動物。沉船很快就會變成人工礁石,成為眾多生命的家園。


圖:Vioska Knoll號沉船躺在墨西哥灣中

古代木質沉船也受到以吃木料為生的細菌侵蝕,就像現代鋼鐵巨輪受到Halomonas titanicae這樣的細菌襲擊一樣。Halomonas titanicae最終可能毀掉泰坦尼克號,但這些細菌實際上也在保護沉船免于快速腐爛。這也是為何許多古老沉船至今依然存在的原因,最早到沉船甚至可追溯到公元前14世紀。

2014年,來自美國海洋能源管理局的科學家進行了迄今為止最深的海洋調查,研究那些沉船上的微生物。他們研究了墨西哥灣北部海底的8艘沉船,包括可追溯至17世紀和19世紀的木殼船,還有3艘二戰時期被德國潛艇擊沉的鐵殼船。科學家們發現,造船所用材料是決定依附沉船上微生物種類的決定因素。木船上主要是以木材為生的細菌,鐵船上則以喜食鐵的細菌為主。令人感到驚奇的是,盡管這些細菌以沉船為食,但它們實際上卻在保護沉船腐爛。


圖:沉沒游艇Anona殘骸

領導此次探險的佛羅里達州立大學海洋考古學家梅勒尼·達莫爾(Melanie Damour)說:“從本質上說,不論是木質船還是鐵質船,一旦它們沉入海底,立即就會被以它們為食的微生物覆蓋。最初,沉船由于接觸海水,將會開始腐爛。但是隨著微生物依附在沉船上,它們開始形成生物膜,在船體和海水之間形成保護層。如果你看到過銹跡斑斑的沉船,你會發現其最初會腐爛,隨后會形成生物膜。”

這意味著,任何機械性撞擊,比如有鐵錨拖拽過沉船,都會打破保護外殼,導致金屬暴露在海水中,從而加速腐爛。實際上,不僅僅是機械撞擊會加速沉船腐爛。2010年深水地平線號發生事故,導致數百萬加侖石油泄漏在墨西哥灣中,許多石油沉入深海。研究人員發現,這些漏油也會加速這些沉船的腐爛速度,因為它會殺死保護沉船的細菌。


圖:墨西哥灣海底沉船

達莫爾說:“在數百萬年的進化過程中,每種細菌、真菌、微生物都有特定功能。硫酸鐵還原菌可依附在鋼鐵沉船上,其他細菌可能喜歡構成石油的碳氫化合物,因此在2010年漏油事件后突然呈現爆發式增長。可是我們發現,并非所有微生物都能應對石油或化學品泄漏的影響,有些時候甚至會因此受到致命威脅。即使4年之后,漏油依然存在于環境中,并對保護沉船的細菌和生物膜產生破壞性影響,導致沉船腐爛加速。”

這項發現令人感到震驚,因為僅在墨西哥灣海底,就有2000多艘沉船,包括16世紀的西班牙沉船、二戰時期的潛艇殘骸等。這些沉船都是擁有重要歷史意義的紀念碑,為我們提供了有關過去的獨特洞見。此外,它們也為許多深海生命提供了家園。

但是最終,這些沉船(包括泰坦尼克號)都將被完全“吃光”,無論是被以金屬為食的細菌吃掉還是被海水腐蝕。泰坦尼克號上的鋼鐵最終會被納入海洋動物和植物體內,并以另外一種方式“重生”。(小小)

本文來源:網易科學人 責任編輯:郭浩_NT5
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