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泰坦尼克号残骸正被"吃光" 很快将彻底消失?

2017-03-16 09:36:25 来源: 网易科学人
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有些报道暗示,由于受到微生物侵蚀分解,泰坦尼克号可能在20年内彻底消失。但另一方面,有些细菌可能正帮助保护这艘沉船,不至于让它在短期内腐烂崩解。

泰坦尼克号残骸正被

当泰坦尼克号于1912年开始其处女航时,没人能预测到这艘华丽的游轮会变成如今的模样:锈迹斑斑地躺在安静的大西洋海底。但在其命运多舛的大西洋之旅100多年后,这艘游轮依然保留下许多残骸。然而,科学家们认为,在几十年内,这艘巨轮可能什么都剩不下,彻底在世界上消失。因为有一些专门以吃铁壳为生的细菌,正慢慢将泰坦尼克号“吃光”。

美国罗德岛大学海洋学家罗伯特·巴拉德(Robert Ballard)于1985年发现泰坦尼克号残骸。鲜为人知的是,当时巴拉德当时正参与美国海军的一项秘密任务,帮助确定两艘在冷战期间沉没的美国核潜艇残骸的位置,而泰坦尼克号只是他们偶然发现的产物。当时,它正好在两艘核潜艇残骸之间被发现。

泰坦尼克号最初被发现时,它保存的相当完好。位于水面3800米之下,缺少阳光照射和巨大的水压,导致那里不适合大多数生命生存,这减缓了它受腐蚀的速度。然而30年后,由于受到以咀嚼金属为生的细菌侵蚀,泰坦尼克号的船壳已经消失。有些研究人员预测,这艘沉船很可能在14年内彻底消失。

泰坦尼克号残骸正被
图:泰坦尼克号在处女航时撞上冰山沉没

那么,这种正吃掉泰坦尼克号的细菌到底为何方神圣?我们的故事始于1991年,当时加拿大达尔豪西大学的科学家收集锈迹形成的、类似冰柱的锈衣样本,它们就悬挂在沉船上。研究人员将它们带回实验室,发现它们似乎属于生命体。但是直到2010年,由达尔豪西大学科学家亨利埃塔·曼恩(Henrietta Mann)领导的另一个团队,才最终确认了这种生命体到底是什么。

曼恩等人分离出一种细菌,然后发现了一门全新学科。曼恩和同事们以泰坦尼克号为其命名,取名Halomonas titanicae。这种细菌可在地球上大多数生命形态完全不适合生存的环境中存活,即没有光线、压力巨大的深水中。但它具备惊人的能力,甚至可生活在其他极端环境中,比如盐沼。在这种环境中,由于不断蒸发,水会急剧减少,盐度则会大幅上升。而Halomonas titanicae可以根据环境进化,以应对不同的问题。

如果细胞所处的环境盐度太高,水就会从细胞中挤出来,导致细胞萎缩、崩溃和死亡。可是,盐分太少也可能引发致命影响。举例来说,血细胞放入纯水中,会因“洪水泛滥”而破裂。这些现象之所以会发生,是由水的特性决定的,水倾向于从高浓度区向低浓度区移动,这种现象被称为渗透。

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图:Halomonas titanicae也经常在盐沼中被发现

这意味着什么?盐、糖以及其他小分子都会在水中溶解,堵塞和占用空间。这意味着,水本身的空间就会减少。当这些低水区与纯水接触时,水就会涌入以恢复平衡。这就像在冬天时,当你打开房门时,热空气会冲出房间一样。由于细胞膜是透水的,这意味着所有的生命形态对内部和外部盐度水平变化都非常敏感。

为了阻止细胞破裂或萎缩,许多物种会产生像糖、氨基酸这样的化合物,以保持细胞内外物质浓度相对稳定,比如阻止水大量涌入或大量流出。可是,并没有太多微生物拥有Halomonas titanicae那样的能力。法国劳厄-朗之万学院的乔·扎开(Joe Zaccai)曾参加一个国际科学家团队,分析细菌如何在极端环境中生存。他们发现,Halomonas titanicae利用名为四氢嘧啶的分子,保护其不受渗透压力的影响。

扎开说:“如果一个细胞能在盐度波动的环境中生存,它必定存在某种特殊能力,可以调节其内部溶液的浓度。Halomonas titanicae可以产生四氢嘧啶,以抵消外部的渗透压力。当外部盐度波动时,其内部浓度也会随之变化。”换言之,水的盐度越高,细菌细胞内部产生的四氢嘧啶越多,以便阻止外部水渗透到细胞内部。然而,对于有机体来说,这种调节也非常危险。细胞内积累的物质越多,进入水分子的物质越多,从而破坏了水的独特性。

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图:Halomonas titanicae可在高盐度环境中生存

对于生命来说,水之所以如此重要,是因为水是原子之间的连接键(或称氢键),充当溶剂的作用。其他化学物质可溶解在水中,或产生反应。生命的反应需要在溶剂中发生,这也是为何我们的细胞总是沐浴在液态水中的原因。此外,RNA、DNA、负责执行细胞日常工作的蛋白质和酶以及赋予它们结构的膜等,都需要在水的包裹下才能发挥作用。

这层水被称为“水化壳”,对于维持蛋白质正确折叠非常重要。如果这个过程被打断,蛋白质就会分解或分离,进而导致细胞死亡。研究显示,Halomonas titanicae细菌显然能够在细胞内积累非常多的四氢嘧啶,最多可占微生物质量的20%,而分子必须以某种方式保留水的重要属性。

为了解开这个谜题,扎开领导的研究团队用中子束轰击这种细菌。通过观察微生物细胞膜和蛋白质中原子的中子反弹产生的分散模式,科学家们能够观察到分子和原子水平上的结构。世界上只有甚少的地方适合进行此类实验,劳厄-朗之万学院是世界上少数几个中子研究中心之一。扎开说:“通过观察中子如何以不同的方式分散,我们成功确定了四氢嘧啶在蛋白质和细胞膜中的行为,更重要的是,也确定了其在水中的行为。四氢嘧啶并非进行干预,而是增强对于生物来说必不可少的水的溶解性。”

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图:静静躺在大西洋海底的泰坦尼克号残骸

事实证明,无论有多少四氢嘧啶溶解在细胞内,包围蛋白质和细胞膜的水层中依然是百分之百的纯水,这可保证细胞的新陈代谢功能正常。这是因为,当四氢嘧啶与水形成氢键时,它会形成更大的簇,不适合附在蛋白质和细胞膜表面上,为此只能存在于纯水中。

对Halomonas titanicae的初步调查显示,它能在最少相当于自身体重0.5%的水中生长,也可在最多相当于自身体重25%的水中生存,尽管它的最佳生存浓度为2%到8%之间。可是,现在依然不清楚,这种耐盐性是否有助于其在沉船上生存。

Halomonas titanicae不是唯一喜欢在沉船中生存的细菌,还有许多微生物栖息在海底的沉船中。它们很快在沉船表面上形成粘膜(即生物膜),这些生物膜就像珊瑚、海绵以及软体动物的天堂,反过来又会吸引更大的动物。沉船很快就会变成人工礁石,成为众多生命的家园。

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图:Vioska Knoll号沉船躺在墨西哥湾中

古代木质沉船也受到以吃木料为生的细菌侵蚀,就像现代钢铁巨轮受到Halomonas titanicae这样的细菌袭击一样。Halomonas titanicae最终可能毁掉泰坦尼克号,但这些细菌实际上也在保护沉船免于快速腐烂。这也是为何许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世纪。

2014年,来自美国海洋能源管理局的科学家进行了迄今为止最深的海洋调查,研究那些沉船上的微生物。他们研究了墨西哥湾北部海底的8艘沉船,包括可追溯至17世纪和19世纪的木壳船,还有3艘二战时期被德国潜艇击沉的铁壳船。科学家们发现,造船所用材料是决定依附沉船上微生物种类的决定因素。木船上主要是以木材为生的细菌,铁船上则以喜食铁的细菌为主。令人感到惊奇的是,尽管这些细菌以沉船为食,但它们实际上却在保护沉船腐烂。

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图:沉没游艇Anona残骸

领导此次探险的佛罗里达州立大学海洋考古学家梅勒尼·达莫尔(Melanie Damour)说:“从本质上说,不论是木质船还是铁质船,一旦它们沉入海底,立即就会被以它们为食的微生物覆盖。最初,沉船由于接触海水,将会开始腐烂。但是随着微生物依附在沉船上,它们开始形成生物膜,在船体和海水之间形成保护层。如果你看到过锈迹斑斑的沉船,你会发现其最初会腐烂,随后会形成生物膜。”

这意味着,任何机械性撞击,比如有铁锚拖拽过沉船,都会打破保护外壳,导致金属暴露在海水中,从而加速腐烂。实际上,不仅仅是机械撞击会加速沉船腐烂。2010年深水地平线号发生事故,导致数百万加仑石油泄漏在墨西哥湾中,许多石油沉入深海。研究人员发现,这些漏油也会加速这些沉船的腐烂速度,因为它会杀死保护沉船的细菌。

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图:墨西哥湾海底沉船

达莫尔说:“在数百万年的进化过程中,每种细菌、真菌、微生物都有特定功能。硫酸铁还原菌可依附在钢铁沉船上,其他细菌可能喜欢构成石油的碳氢化合物,因此在2010年漏油事件后突然呈现爆发式增长。可是我们发现,并非所有微生物都能应对石油或化学品泄漏的影响,有些时候甚至会因此受到致命威胁。即使4年之后,漏油依然存在于环境中,并对保护沉船的细菌和生物膜产生破坏性影响,导致沉船腐烂加速。”

这项发现令人感到震惊,因为仅在墨西哥湾海底,就有2000多艘沉船,包括16世纪的西班牙沉船、二战时期的潜艇残骸等。这些沉船都是拥有重要历史意义的纪念碑,为我们提供了有关过去的独特洞见。此外,它们也为许多深海生命提供了家园。

但是最终,这些沉船(包括泰坦尼克号)都将被完全“吃光”,无论是被以金属为食的细菌吃掉还是被海水腐蚀。泰坦尼克号上的钢铁最终会被纳入海洋动物和植物体内,并以另外一种方式“重生”。(小小)

王真 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629
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