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《自然》独家:南极千米冰层下察觉微型动物尸骸

gecimao 发表于 2019-03-12 19:12 | 查看: | 回复:

  研究人员用热水钻凿通一千米厚的冰层,制造出一个直径仅有60厘米的通道。来源:Billy Collins/SALSA Science Team距南极点600公里处有一片深埋于冰下的湖泊,科学家最近在那里钻探时发现了令人惊讶的古代生命的痕迹:保存于一千米厚冰层下的微型动物遗骸。

  这些比罂粟种子还小的甲壳动物和缓步动物(又称“水熊虫”)都是在南极洲的冰下默瑟湖(Subglacial Lake Mercer)里被发现的。这片水体数千年来未曾有人造访。时至今日,人类也只是通过探冰雷达以及其它遥感技术间接地观测过默瑟湖。但这一切在去年12月26日改变了:一批由美国国家科学基金会(NSF)资助的研究者成功地在冰层里熔出了一条直抵下方湖水的通道。

  来自美国内布拉斯加大学林肯分校的微体古生物学家David Harwood说,在湖里发现那些动物“完全出乎意料”。他是 “南极冰下湖泊科学考察”(SALSA)科考队的一员。

  当生物学家们认识到至少一部分来自默瑟湖的生物是“旱鸭子”时,他们的好奇心愈发强烈了。其中长有八条附肢的缓步动物与已知生活在潮湿土壤里的物种相似,而看起来像是线虫的生物实际上则是陆生植物或真菌的卷须。尽管科学家们还无法排除那些甲壳动物是海洋居民的可能性,它们一样也可能来自被冰覆盖的小型湖泊。

  研究者目前认为,在冰川退缩的短暂温暖期内(过去1万年里,或12万年前),这些生物生活在南极横贯山脉(距默瑟湖大约50公里)的池塘和溪流里。在那以后,随着气候变冷,冰雪摧毁了这些生命绿洲。

  关于那些甲壳动物和缓步动物是怎样到达默瑟湖的仍然没有定论。SALSA团队正尝试用碳测年来确定样本的年代并试图对它们的DNA进行测序,答案可能随之到来。将那段历史拼凑起来也许能够告诉我们数千年前南极洲冰川退缩的更多信息,比如具体的时间点,以及后退了多少。

  “真是太棒了,”加州大学圣克鲁斯分校的冰川学家Slawek Tulaczyk说,“这个发现绝对让人始料未及。”Tulaczyk并不是SALSA团队的成员,但他从上世纪90年代开始就已经在研究从冰川冰层下取来的沉积物了。根据他的说法,以前从来没有在冰盖下发现过类似的东西。Tulaczyk是此前唯一一次钻探南极冰下湖泊的科考行动的负责人之一。那是在2013年的惠兰斯湖(Lake Whillans,距默瑟湖50公里),他们发现湖里满是微生物,但没有找到存在更高等的生命形式的迹象。

  来源:SALSA; M. R. Siegfried & H. A. Fricker Ann. Glaciol. 59, 42–55 (2017).

  像默瑟湖这样的情况,Tulaczyk认为有可能是冰面下的河流把山里的动物遗骸和真菌冲到了湖里。而另一种可能则是这些生物原来被冻在某条冰川的底部,当冰川前进的时候,它们也随之被裹挟着拖曳到山外。换句话说,理解南极横贯山脉一段久远历史的关键也许埋藏在它50公里以外的一片湖泊底下。

  2018年12月30日,SALSA的科学家从湖里升起一台测量了湖水温度的仪器,然后在它的表面刮下一些灰褐色的淤泥,研究由此拉开了帷幕。

  Harwood把淤泥拿到显微镜下观察,他看到的东西与自己的预期一致:硅藻的硅质外壳,以及存在于数百万年前、能够进行光合作用的藻类(当时南极洲的气候更为温暖,一片不冻的海洋覆盖着如今默瑟湖所在的地区)。

  但随后他在玻璃一样的硅藻碎片里看到了一些与之格格不入的东西:一具足仍附着其上、形似虾的甲壳动物的外壳。这个动物的头胸甲长有斑点并且已经褪色。Harwood说它“就好似一片已经掉落地面很久的枯叶一般”。

  这位古生物学家很快就发现了另一块甲壳类头胸甲的碎片。这一片是健康的琥珀色,还有纤细的刚毛竖立在上面。“它看起来相当新鲜,”Harwood说道,“彷佛一直活着一般。”在这方与世隔绝的黑暗水洼里也许有活物徘徊,这样的想法似乎既合情合理又异想天开。

  湖水样本里含有足够支撑水生动物生存的氧气,并且充满了细菌(每毫升至少10000个细胞)。Harwood想知道最初来自于海洋的小型动物是否可能在湖里通过摄食细菌维生。

  一台仪器正在将采集的湖底淤泥运回地面。来源:Kathy Kasic/SALSA Science Team

  可能还有其它理由使海洋动物进入了默瑟湖。5000至10000年前,冰盖曾短暂地变薄过,这让海水得以涌进厚达数百米的浮冰底部,并流到如今默瑟湖所在的地方。当冰盖再次变厚,像扣在海底上面的盖子时,之前被海水带进来的动物就可能被困在重新与外界隔离的湖里。

  科学家知道在南极洲的其它地区发生过情况类似但程度上没有这么极端的事件。南极大陆的逐渐抬升将较浅的海湾变成了互相隔开的湖泊。在其中一些湖里,小型海洋桡足类甲壳动物似乎已经繁衍生息几千年了,而且有很长一段时间它们可能是被困在数米厚的永久冰层下面的。

  那些被冰覆盖的湖泊依然会受到微弱的阳光照射,这为甲壳动物提供了藻类作为食物。但像默瑟湖那样的冰下湖泊,里面的生存环境更严酷——阳光无法穿透上方的冰层。因此,细菌通过摄取矿物质及来自数百万年前(当时湖床还是大洋的一部分)就存在的微型浮游生物和硅藻的有机物质成活。大多数生物学家并不相信这些湖泊里的细菌的生长速度能快到为哪怕体型最小的水生动物提供食物。

  SALSA项目的负责人John Priscu是来自美国蒙大拿州立大学的湖泊生态学家。当《自然》杂志在今年1月3日(发现动物遗骸的数天后)通过卫星电话与他取得联系时,他出言谨慎但又显得很兴奋。Priscu担心他的团队在湖里发现的生物残片可能只是没有清洗干净的设备所携带的污染。“我对下结论慎之又慎,“他说道。可他也承认在默瑟湖里发现活物这种可能的存在。如果那确实发生了,“那将是一个真正令人惊叹的时刻”。

  为了排除污染的可能性,SALSA团队把设备重新清洗了一遍,然后采集了更多的淤泥。当Harwood在显微镜下观察新的湖泥标本时,他还是能找到甲壳类动物的外壳以及看起来有一点类似线虫的生物。然而,不论是他还是驻扎在SALSA营地的其余队员都不是研究动物的专家。因此,必须等到有其他科学家看过样本以后才能有一个更可靠的解释。

  那一刻很快在1月8日到来了。麦克默多站(McMurdo Station)是隶属于NSF的一个南极基地,它坐落于默瑟湖西北900公里处的南极洲海岸。在那里,一位名叫Byron Adams的动物生态学家使用显微镜检视一小团湖泥,很快便看到了一些熟悉的生物。对于它们的重要性,他的脑海里开始有了新的见解浮现。

  Adams来自美国杨百翰大学,他没有参加此次SALSA科考行动。Adams将那些类似线虫的物体鉴定为线状植物或真菌。南极洲有片区域叫干谷(Dry Valleys),他曾在那个没有冰川的地方见过它们,而那里也有甲壳动物和缓步动物(包括活体和死体)。他还在穿过南极大陆腹地的南极横贯山脉里看到过这些生物。

  Adams几乎可以肯定这些生物在被科学家从湖里捞出来的时候已经死亡数千年了。他认为它们曾经生活在南极横贯山脉,然后在死亡后的某个时间点被转移到了默瑟湖(这个时间点可能是数千至数万年前的任一时刻)。比起湖里发现的其它被认为存在于数百万年之前的古生物如硅藻,这些生物的遗骸还很年轻。

  “关于默瑟湖里的那些东西,比较让我惊讶的一点是它们并不是非常非常地古老,”Adams说道,“它们并没有死去很长时间。”这类保存完好的生物遗骸为研究者提供了一个有趣的研究机会。通过确定它们生活在多久以前,以及需要什么样的生存环境,生物学家就能够了解一些有关南极洲过去冷暖交替的信息。

  冰封默瑟湖数千年的巨大冰盖的底部。来源:Bob Zook和John Winans/SALSA Science Team

  这类重建大陆历史的工作通常落在地球科学家身上,但这一次就不同了。“生物学开始介入这个问题的讨论了,我觉得这很棒,”Adams说,“生物学向我们传递的信息是——你们冰川学家为什么不回去重新思考你们的模型。”

  1月5日,SALSA的科学家封上钻孔,结束了他们在默瑟湖的工作。随着他们带着采集的样本撤离,项目进入了一个更为缓慢又条理清晰的阶段。在接下来的几个月里,研究团队将尝试通过放射性碳测年来判定动物遗骸的年代。这将揭晓它们是否晚于4万年前左右。

  SALSA的研究人员也将尝试对来自生物遗骸、淤泥和湖水里的DNA碎片进行测序,希望鉴定出他们发现的甲壳动物是属于海洋种还是淡水种。而通过对遗骸中的碳进行化学分析,也将能够确证那些动物究竟是曾生活在一个有光照的生态系统里,并以光合藻类为食;抑或它们可能是在黑暗的冰下环境里存活了一段时间。

  Adams还没有完全放弃曾经有动物生活在冰层下方(甚至现在还生活在那里)的可能性。当他检视默瑟湖底的淤泥时,他“希望找见一些活物——那才是我想看到的。”可是样本太少了,仅仅只有一茶匙的量。Adams说如果自己能够研究更多湖泥的话,“也许仍然可以在里面找到活物。”

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