长期以来，智利阿塔卡马沙漠的极度干旱土壤被认为是完全没有生命的。在其最干旱的地区之一，由德国 GFZ 地质研究中心的 Lucas Horstmann 和 Dirk Wagner 组成的科学家团队与柏林工业大学和智利安托法加斯塔大学的同事一起，发现了一个以前未曾探索过的地下栖息地。这是基于新开发的分子 DNA 分析方法，该方法可以集中提取和分析细胞内 DNA。这些 DNA 来自活体或休眠生物的完整细胞，因此可以检测到栖息在深度达 4.20 米的极度干旱土壤中的存活且可能活跃的微生物群落。这项研究发表在PNAS Nexus杂志上，因此扩展了我们对该地区生物多样性的了解，该地区的极端干旱、盐度和营养缺乏条件接近生命的极限。研究结果对在其他星球上寻找生命也有影响。

背景：极端沙漠栖息地

沙漠是地球上最大、最脆弱的生态系统之一。尽管那里的条件是最恶劣、最危及生命的，但那里却有微生物生存。在没有定期降雨的情况下，微生物是最重要的生态组成部分，它们利用土壤成分(如矿物质和盐)以及大气气体作为能量和水的来源，调节养分流动。

“微生物多样性和分布的研究对于充分了解微生物过程在维持沙漠生态系统的生态平衡和功能方面的核心作用至关重要，特别是在气候变化背景下的未来发展方面，”该项目负责人 Dirk Wagner 说GFZ 地球微生物学组的主任，也是该研究的领导者之一。

智利北部的阿塔卡马沙漠面积达 105,000 平方公里，被认为是世界上最干燥炎热的沙漠。因此，这里是研究这种栖息地的极其重要和合适的地点。我们已经调查了大约一米深的浅层区域。我们知道，这里是一个可以抵御紫外线辐射的生态栖息地，而且这里仍有水，微生物可以在这里繁衍生息。

新方法：利用特殊 DNA 分析技术分析阿塔卡马沙漠深层土壤

另一方面，迄今为止，只有少数研究对沙漠土壤的深层进行了分析。因此，它们是 GFZ 地球微生物学部门的博士生 Lucas Horstmann 和博士后研究员 Daniel Lipus 以及该部门负责人兼大学地球微生物学和地球生物学教授 Dirk Wagner 领导的团队的关注焦点波茨坦的。其他同事来自柏林工业大学和智利安托法加斯塔大学。研究人员想要测试极度干旱的阿塔卡马沙漠的深层沉积物是否也可以成为特殊微生物的栖息地。

研究小组研究了安托法加斯塔东南约 60 公里的永盖地区的土壤剖面，分析了沿深度剖面的微生物多样性及其与土壤特性的相互作用，其中包括普拉亚沉积物和下面的冲积扇沉积物，深度可达4.2米。为此，他们挖掘了土壤剖面，每隔 10 厘米采集一次土壤样本，深度为 3 米，然后每隔 30 厘米采集一次，然后送往 GFZ 实验室进行分析。

为了检测样本中的生命痕迹，科学家们使用了由 GFZ 的 Dirk Wagner 等人开发的分子 DNA 分析新技术：利用特殊的提取方法，可以仅过滤掉样本中的细胞内 DNA。样本，即源自完整且潜在活性细胞的DNA。为此使用各种化学品、离心机和过滤器。

“这种方法代表了极端环境下微生物多样性研究的重大改进，因为它有效地排除了死细胞 DNA 产生的偏差，并且即使由于死细胞量低而达到了其他方法的检测限，仍然提供有效的数据。生物质”，瓦格纳强调。

发现深达 4.2 米的潜在存活微生物群落

通过细胞内 DNA 提取和随后对样本进行基因测序，研究人员能够识别出 4.2 米深处潜在的存活微生物。在上层80厘米处，他们主要发现了厚壁菌门的微生物，但它们的数量随着深度的增加而减少，因此可溶性盐的数量也随之增加。研究人员怀疑，高盐浓度和日益严重的水资源短缺也可能是造成普拉亚沉积物下部微生物定殖停止的原因。在这方面，他们的发现与早期的研究是一致的。

然而，霍斯特曼和瓦格纳的团队再次在两米以下的冲积扇沉积物中发现了微生物群落。它比地表群落更加多样化，并且可能与地表完全隔离。它主要由属于放线菌门的细菌组成，该门具有专门的成员，通常存在于干燥或原始土壤中。

这些微生物的存在可能与多孔石膏的存在有关，多孔石膏可以通过溶解成硬石膏来提供替代水源。本研究中观察到的生物体属于能够利用氢气等微量气体作为能源，利用二氧化碳作为碳源进行生长的物种。

“这种类型的新陈代谢，称为化能自养，在其他研究中被认为对于有机质作为碳源极为有限的极度干旱土壤很重要。因此，这对于本研究中调查的孤立的地下生态位也可能至关重要，”第一作者卢卡斯霍斯特曼说。

总结与展望：令人惊叹的沙漠生物多样性及其对外星生命的影响

Horstmann 总结道：“这种地下群落生长在深度低于两米的冲积扇沉积物中，具有惊人的多样性和生态稳定性，这一发现对我们目前对沙漠生态系统的理解提出了挑战。”

作者提出，该群落可能早在 19,000 年前就已在这片土壤上定居，当时土壤尚未被盐湖沉积物掩埋;作者推测，该群落可以继续向下延伸一段未知的距离，代表着极度干旱的沙漠土壤之下一个此前未知的深层生物圈。

“鉴于我们星球上旱地的广泛分布，以前未开发的地下土壤中潜在的碳结合群落的存在不仅对沙漠的生物多样性产生深远的影响，而且对全球范围内的元素循环也产生了深远的影响，”合著者德克说瓦格纳。 “这表明迄今为止这些栖息地的重要性被低估了。它强调了地下栖息地对于未来全面了解沙漠生态系统的重要性。”

研究人员强调，这项研究的结果不仅对我们的地球有影响，而且与正在进行的有关在其他行星上寻找生命的讨论相关：“火星上存在石膏沉积物，类似于在冲积扇中发现的石膏沉积物沉积物，引起了天体生物学的极大兴趣。这些地下群落与阿塔卡马的石膏基质的联系可能提供进一步的证据，表明火星上的石膏沉积物不仅表明过去存在液态水的可能性，而且还可以作为当前微生物生命的宜居生态位。”