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为探究火星模拟磨损玄武岩毒性受时间和剂量影响情况及细菌转录组响应机制，研究人员以恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）为对象开展研究。结果发现毒性随盐化激活时间和剂量变化，细菌会从浮游状态转为生物膜形成。该研究为了解火星生命生存条件提供依据。
火星，这颗神秘的红色星球，一直以来都是人类探索宇宙生命的焦点。然而，火星表面的环境极其恶劣，充满了各种对生命生存的挑战。其表面存在强烈的电离辐射，包括紫外线辐射（UVR）、γ 辐射和银河宇宙射线，这些辐射能够对生物的 DNA 和蛋白质造成严重损伤。同时，火星缺乏生物可利用的液态水，极低的大气压力和高盐含量使得水的活性极低，难以维持生命的正常代谢活动。此外，火星风化层具有强氧化性，这一特性对生命的生存和探测有着关键影响。
此前的研究表明，火星风化层中的摩擦带电过程会产生活性氧（ROS），其中的羟基自由基（˙OH）具有很强的氧化能力，能够氧化细菌的外膜蛋白和膜脂质，导致脂质过氧化，甚至细胞死亡。以往研究发现，固定剂量的火星模拟磨损玄武岩在模拟盐化后，会使超过 99% 的细菌细胞死亡。但这些研究存在局限性，如仅使用固定浓度的玄武岩，且未探究毒性随时间的变化情况。为了深入了解火星模拟磨损玄武岩的毒性机制，来自奥胡斯大学（Aarhus University）的研究人员 Gabriel Crossfield 和 Kai Finster 开展了一项重要研究，相关成果发表在《Discover Life》杂志上。
研究人员为了深入探究火星模拟磨损玄武岩的毒性奥秘，运用了多种关键技术方法。在实验中，他们采用了生存试验来检测恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）在不同条件下的存活情况，通过在不同时间点对细菌进行计数，分析玄武岩剂量和时间对细菌存活率的影响。同时，利用 RNA 提取技术获取细菌的 RNA，之后进行实时定量 PCR（qPCR）以确定 DNA 含量，确保实验数据的准确性。此外，运用 mRNA 测序及数据分析技术，对转录组数据进行深入挖掘，从而揭示细菌在基因层面的响应机制。
火星模拟磨损玄武岩的剂量依赖性毒性
研究人员将处于指数期和稳定期的恶臭假单胞菌分别暴露于三种不同剂量（0.5 g/ml、0.1 g/ml、0.05 g/ml）的磨损玄武岩中，这些玄武岩在模拟盐化 7 年后使用。实验结果显示，在暴露 1 小时后，与不含玄武岩的对照组相比，所有剂量的 N2 - 玄武岩处理组中细菌的 CFU（colony - forming unit，菌落形成单位）数量均有所下降，且高剂量组的下降幅度最大。在 24 小时后，低剂量（0.05 g/ml）处理组的细菌 CFU 数量在指数期和稳定期均有所恢复，部分剂量组与对照组的差异不再显著。这表明火星模拟磨损玄武岩的毒性具有剂量依赖性，且随着时间推移，毒性有所降低。
RNA 提取、DNase 处理及 RNA 完整性分析
研究人员对暴露于 N2 - 玄武岩的恶臭假单胞菌进行 RNA 提取和分析。结果发现，24 小时样本的 RNA 完整性数等效值（RINe）较低，这可能是由于长时间孵育导致细菌进入稳定期或死亡期，使得 RNA 降解。经过 DNase 处理后，虽然 1 小时样本的 RINe 值较高，24 小时样本的 RINe 值较低的趋势仍然存在，但大部分样本的 RINe 值有所增加，同时 DNA 含量显著降低，这为后续准确分析转录组数据提供了保障。
恶臭假单胞菌对火星模拟磨损玄武岩的转录组响应
通过对转录组数据的主成分分析（PCA）发现，样本间的主要差异源于 mRNA 提取的时间点，而不是玄武岩的暴露。在比较 1 小时和 24 小时的处理组与对照组时，分别鉴定出 78 个和 185 个差异表达基因（DEGs）。这些差异表达基因主要涉及细胞运动、无机离子运输和代谢等功能。在 1 小时暴露后，与细胞运动相关的基因下调，而与生物膜形成相关的基因上调，这表明细菌从自由游动状态转变为生物膜形成状态，以应对玄武岩带来的压力。在 24 小时暴露后，除了无机离子运输和代谢相关基因的变化外，氨基酸运输和代谢相关基因也出现了显著的上调或下调，这可能与细菌在长期压力下的代谢调整有关。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，火星模拟磨损玄武岩在放置 7 年后，虽然毒性有所降低，但仍然会增加细菌细胞的脆弱性。玄武岩的毒性与剂量密切相关，高剂量（0.5 g/ml）的毒性明显高于低剂量（0.1 g/ml 和 0.05 g/ml）。这种毒性差异可能与羟基自由基（˙OH）的短半衰期有关，高剂量下细菌与玄武岩颗粒的接触更频繁，导致毒性增加。未来通过测量活性氧（H2O2和 OH）的浓度，将有助于进一步理解剂量依赖性效应和毒性降低的机制。
从细菌的转录组响应来看，恶臭假单胞菌在暴露于玄武岩 1 小时后，会从自由游动的细胞转变为形成生物膜的细胞，这一转变可能是为了保护自身免受氧化损伤。在 24 小时后，氨基酸代谢的变化增强了细菌的抗氧化损伤能力。整个暴露过程中，细菌通过多种机制严格控制细胞内的 Fe2+水平，以维持细胞的正常生理功能。然而，研究也发现，经典的抗氧化防御机制相关基因并未上调，这表明细胞内的 H2O2和 O2--并没有积累到显著水平。相反，转录组数据显示，由于˙OH 诱导的损伤导致的膜通透性增加和外膜蛋白氧化，是恶臭假单胞菌面临的主要挑战。
该研究的重要意义在于，它首次深入探究了细菌对火星模拟磨损玄武岩的转录组响应，为理解火星表面生命的生存机制提供了新的视角。研究结果表明，在研究细菌对火星环境的响应时，应更加关注细菌对外膜应激的耐受和修复能力，以及维持细胞内 Fe2+稳态的能力，而不仅仅是关注细胞对高细胞内活性氧水平的抵抗能力。这一研究为未来的火星生命探索和微生物适应极端环境的研究奠定了重要基础，有助于科学家更深入地了解生命在宇宙中的生存可能性。
