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微生物在地球元素循环中作用关键，但其休眠状态对生态和生物地球化学过程的影响尚不明确。研究人员开展微生物休眠研究，发现其在时空尺度上影响生态和生物地球化学架构。这有助于理解地球与生物圈的共同演化，为相关研究提供新视角。
在地球这个巨大的生态舞台上，微生物虽小，却掌控着众多关键 “剧情” 走向。它们驱动着地球上几乎所有主要元素的循环，深刻影响着地球表面的氧化还原状态和全球气候。然而，地球的环境在漫长地质岁月中不断变化，从剧烈的气候变化到沧海桑田的地质变迁，微生物却能持续演化并在各种环境中生存。其中，微生物休眠这一神秘机制，成为了解开微生物适应环境之谜的关键钥匙。但目前，人们对微生物休眠在调节地球系统过程中的作用，如对地球生物圈发展和生物地球化学循环的影响，还知之甚少。微生物休眠的理论存在诸多空白，例如休眠的时间和能量极限尚不明确，而且微生物休眠状态转换与生物地球化学变化之间的关系，在大时空尺度上也缺乏研究。为了深入探究这些问题，来自艾克斯 - 马赛大学（Aix Marseille Université）、土伦大学（Université de Toulon）、法国国家科学研究中心（CNRS）、法国发展研究所（IRD）、地中海海洋学研究所（MIO）以及伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）的研究人员，开展了关于微生物休眠的研究。研究发现，微生物休眠在地球的生态和生物地球化学架构中发挥着至关重要的作用，它通过多种方式影响着生态系统和生物地球化学循环，这对于理解地球与生物圈的共同演化意义重大。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在细胞层面，借助基于活性的细胞标记技术，结合先进的可视化和细胞分选手段，能够精准区分复杂群落和自然环境中单个微生物细胞的活性与休眠状态。同时，元组学（meta - omics）和生物信息学的发展，为从分子层面深入剖析微生物休眠机制提供了有力支持 。
下面详细介绍研究结果：
- 微生物休眠的普遍性及机制：微生物休眠在自然环境中极为普遍，多数微生物细胞处于这一状态。部分微生物休眠时会形成可见的休眠结构，如孢子或孢囊，而有些从形态上与活跃细胞并无差异。环境因素，如光照、温度和资源可利用性，以及内生因素，像物种间相互作用，都能引发微生物休眠。在休眠状态下，微生物的部分感官系统仍保持功能，以便感知环境变化并做出反应。当环境条件改善时，它们能迅速恢复活跃状态，这种 “响应性转换” 在波动环境中十分有利。此外，还有 “自发转换” 现象，微生物随机进入或退出休眠状态，这在稳定或不可预测的环境中具有优势。
- 微生物休眠对生物多样性的影响：微生物休眠能维持微生物多样性的 “种子库”。通过暂时储存休眠个体，避免了因局部灭绝和竞争导致的物种消失，增加了环境中的生物多样性。同时，休眠还能调节物种间的相互作用，削弱拮抗作用，稳定互利共生关系。实验室研究和模型模拟表明，反复的休眠转换有助于维持微生物的表型和遗传多样性。此外，休眠还赋予微生物其他生态优势，如实现远距离传播、躲避捕食者和寄生虫、降低寄生感染率，保护微生物种群的大小、表型和遗传多样性免受噬菌体侵害。在进化方面，高比例休眠个体的微生物种群受到的选择压力较弱，突变频率较低，遗传漂变的影响也较小。
- 微生物休眠对生物地球化学循环的影响：不同功能和分类的微生物类群，其休眠策略和响应各不相同。早期研究认为休眠微生物在土壤生物地球化学循环中作用被动，但实际情况并非如此。地球系统模型若不区分活跃和休眠的微生物群体，可能无法准确描述和量化微生物驱动的碳转化及其他元素循环。在高动态环境中，环境变化引发的微生物休眠转换会显著改变生物地球化学循环的强度。虽然目前缺乏大时空尺度上微生物状态转换与生物地球化学变化关系的研究，但已知休眠微生物在调节全球生物地球化学循环和生态系统服务方面发挥着重要作用。例如，海洋沉积物中的微生物尽管能量利用效率极低，大多处于休眠状态，但它们能分解大量有机碳，调节全球碳循环中快速和慢速循环部分之间的碳转移，进而影响地球气候和氧化状态。
研究结论和讨论部分强调了微生物休眠研究的重要意义。微生物休眠对生态系统动态、生物地球化学循环和地球系统过程有着深远影响。任何导致微生物在活跃和休眠状态之间转换的因素，都可能深刻改变生态系统和地球系统的功能及生物地球化学特性。深入理解微生物休眠、生态过程和生物地球化学循环之间的相互作用，是揭示生命与地球共同演化奥秘的关键，也有助于解释生命如何在极端环境和全球环境变化中持续存在和发展。这一研究成果可能会改变人们对微生物生态系统的传统认知，不再仅仅关注微生物在有利条件下的生长动态，而是更加重视其在环境干扰和恶劣条件下的生存和持续能力。未来，跨学科和综合性的研究方法，融合生物学和地球系统科学，将成为进一步探索微生物休眠如何支撑地球、生物圈及其相互作用共同演化的关键路径，有望为应对气候变化、保护生态系统等全球性挑战提供新的思路和方法。
