在我们脚下、阳光无法触及的地方以及地球上最恶劣的角落，存在着一个看不见的世界。尽管这些环境可能看起来荒凉且缺乏温暖、光线或养分，但它们绝非空无一物。这里是非凡微生物——嗜极生物的家园，它们已经适应了能够摧毁大多数已知生物的条件。有些微生物在地球深处腐蚀矿物质，形成地下洞穴；另一些则在沸腾的池塘或冰冻的苔原中存活；还有一些在海洋最深的海沟中繁衍生息，通过化学物质而不是阳光获取能量。
作为地球上最早的居民之一，微生物不仅存活下来，而且繁荣昌盛。但为什么这些微小的幸存者如此重要？它们的韧性可能揭示了生命最初是如何在地球上出现的，以及生命是否可能存在于宇宙其他地方。嗜极生物也是潜在实际应用的未开发宝藏；科学家们希望重复从耐热的 Thermus aquaticus 中分离出 PCR 酶 Taq 聚合酶的成功故事。为了寻找这种微生物奖赏，微生物学家们冒险进入地球上一些最偏远和极端的环境中——包括我们脚下的迷宫般的世界。
深入挖掘：鼻涕状微生物和其他奇特洞穴微生物
自史前时代以来，洞穴在人类生活中扮演了关键角色，作为庇护所、水源，甚至古代艺术的岩石画布。然而，随着文明的进步，对洞穴的依赖逐渐减少，对这些地下生态系统的科学研究也放缓了。现在，研究人员再次返回地下，不仅是为了解开地质奇观，还为了探索充满微生物生命的活力生态系统。每个洞穴系统都是独一无二的——这是研究嗜极生物及其如何适应永久黑暗的理想天然实验室。
当地质微生物学家 Diana Northup 在西弗吉尼亚大学本科期间加入户外俱乐部时，她并没有想到会陷入洞穴探险——字面意义上的跌入。但那种肾上腺素的刺激让她着迷。当她在黑暗中穿行时，她开始好奇洞穴里生活着什么样的生物。这种好奇心促使她开始了在新墨西哥大学的洞穴研究，从她新墨西哥后院的 Lechuguilla 洞穴的独特结构开始。她的最早研究生研究是在 1990 年代对 Lechuguilla 洞穴水样的研究。“当我们观察时，那些微生物真是令人着迷。”
Lechuguilla 洞穴是世界上最长的洞穴之一，长达近 150 英里，但它并不是普通的洞穴。与典型的由碳酸侵蚀形成的石灰岩洞穴不同，Lechuguilla 是一个底生洞穴——从底部向上雕刻而成。数百万年前，从下方冒出来的硫化氢与氧气反应，形成了硫酸，从而雕刻出了洞穴壮观的通道和矿物结构。
Diana Northup 深入洞穴深处，发现了在黑暗和营养贫乏条件下蓬勃生长的新颖微生物。
Kenneth Ingham
对于科学家来说，Lechuguilla 洞穴是一个微生物的金矿。由于其形成方式，它与地表隔绝了数百万年。它提供了罕见的一瞥，让我们看到古老的矿物沉积物和可能在距离洞口几英里处繁衍的微生物。洞穴的营养条件有限，迫使微生物依靠替代能源，如氢气、甲烷、硫化物、氨或铁。
Northup 开始调查微生物如何可能促进覆盖洞壁的彩色铁锰沉积物的形成。这些沉积物在横截面上像三明治一样，外层是红色（铁）或黑色（锰），接着是一层被腐蚀的碳酸岩层——被称为“朋克岩”，然后是下面的基岩层。
“在铁锰沉积物处，我们得到了朋克岩来看看谁在里面生活。”Northup 说。这些腐蚀残留物有几厘米厚，位于改变的碳酸岩上方最多 10 厘米。“我们凿掉了碳酸岩，砸得足够带回进行检查。”
研究小组首先通过显微镜发现了球形或丝状结构的微生物。基因分析显示，存在铁和锰氧化细菌，如 Leptothrix 和 Variovorax paradoxus ，以及相关的未知物种。这些微生物产生酸作为副产品，加速了岩壁的溶解和腐蚀。
当氢硫化物气体到达天花板时，它会转化为硫酸，开始滴落。鼻涕状物在这种滴水中形成，pH 值可以低至零到一——非常酸性。
——Diana Northup, 新墨西哥大学
洞穴中的微生物并不总是那么美丽。当探索活跃的底生 Villa Luz 洞穴时，Northup 戴上呼吸器，进入充满氢硫化物的通道——这就是洞穴刺鼻的臭鸡蛋味的来源。气体浓度可达 280 ppm，远高于触发警报的 5 ppm 阈值。
Northup 解释说，由于洞穴泉水中活跃的氢硫化物，形成了不寻常的结构。“当氢硫化物气体到达天花板时，它会转化为硫酸，开始滴落。鼻涕状物在这种滴水中形成，pH 值可以低至零到一——非常酸性。”
鼻涕状物是由生物膜组成的黏糊糊的钟乳石状结构，充满了微生物。研究人员还在 pH 更中性的洞穴中发现了鼻涕状物，但在各种环境中，一种细菌占据主导地位：Acidithiobacillus thiooxidans，以氧化硫和在恶劣条件下生存而闻名。不仅如此，这些洞穴微生物还具有有趣的代谢活性，并可能提供生物医学潜力。
在 Villa Luz 洞穴中，鼻涕状物是悬挂在天花板上的黏糊糊的微生物结构，它们在富含硫的环境中繁衍生息。
Kenneth Ingham
虽然土壤中的 Streptomyces 已经是已知抗生素的丰富来源，但洞穴是新型抗生素的未开发宝库。这些极端环境可能是对抗现代抗生素耐药性的关键。Hazel Barton 是阿拉巴马大学的地质微生物学家，研究洞穴微生物组及其独特性质，用于新型应用。
Barton 研究了 Lechuguilla 洞穴中的抗生素耐药性，那里的微生物已经与地表隔绝了数百万年。如果抗生素使用是耐药性的主要驱动因素，那么这些洞穴微生物应该不具备耐药性。然而，Barton 的团队发现这些洞穴微生物对所有类型的天然抗生素都具有耐药性，突显了抗生素耐药性的古老起源。
一种特别耐药的菌株 Paenibacillus sp. LC231 是非致病性的，但能抵抗 40 种测试抗生素中的 26 种。进一步分析表明，其耐药谱与地表细菌非常相似，强化了抗生素耐药性在现代抗生素使用之前就已经进化的观点。
洞穴微生物不仅展示了生命如何在极端、营养贫乏、无光的环境中——所谓的“黑暗生物圈”中繁衍生息，而且还提供了关于地球以外生命可能性的线索。Barton 和她的团队还探索了 Wind Cave，那里的地下湖泊是由地下水通过含水层上升形成的，而不是地表径流。Barton 说：“这个洞穴完全与地表隔绝，这使它成为木卫二的一个很好的模拟对象。因此，你有一个冰壳，没有与外界的交流。那里可能存在支持生命的潜在化学成分是什么？”
当研究人员检查这些湖泊是否含有独特的微生物生命时，他们对结果感到惊讶。Barton 说：“结果表明，除了南非金矿深处的某个地方外，这里的细胞计数是地球上任何水体中最低的。”由于生物量低，Barton 的团队不得不过滤数千升水才能收集足够的 DNA 进行分析。尽管细胞计数低，样本中却拥有高微生物多样性，以 Gammaproteobacteria 为主。进一步的研究揭示了一种独特的代谢系统，其中微生物利用锰作为能量来源进行生长。
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