深海生命探秘

自1872年HMS挑战者号启航以来，一些科学家仍坚信无生物区理论：认为生命无法在300英寻(约550米)以下的深海生存。另一些科学家则认为，虽然深海生物存在，但寒冷和黑暗的环境阻碍了它们的进化。然而，挑战者号的科学家们很快就用他们的抓斗器推翻了这两种观点。

1936年，斯克里普斯海洋学研究所的Claude ZoBell和Quentin Anderson发表了一篇文章，他们在加利福尼亚南部沿海提取的沉积物岩心表层发现了丰富的细菌，这些岩心长度在40至75厘米之间。

深海及其生物在20世纪30年代成为人们极大兴趣的主题，这得益于深海潜水器的发明，这种小型潜艇是为了承受深海巨大压力而建造的。最著名的早期潜水器之一是由著名科学家和作家William Beebe使用的两人“Bathysphere”，他的书中配有奇异深海生物的照片，吸引了并启发了早期的年轻人。工程师Otis Barton设计了这艘潜水器，他和Beebe用它在百慕大海岸进行了多次深海潜水。1934年，两人达到了923米的记录深度。

Beebe的Bathysphere的继任者是Alvin，以发明者Al Vine的名字命名，1964年由伍兹霍尔海洋研究所发射。它被设计成可以搭载两名科学家和一名飞行员下潜4500米，并在那里停留九个小时。Alvin进行了超过5000次潜水，并促进了大约2000篇研究出版物的发表。但它的起步可以说是相当坎坷。Alvin的第一次潜水是在1965年到达1800米。1966年3月，Alvin被用于一次未能成功的尝试，以回收一枚在西班牙海岸910米深的海底坠毁的氢弹。然后在1966年10月，当Alvin被吊在其支援船的一侧，船员在船上并且舱口打开时，两根钢缆断裂。船员得以逃脱，但潜水器坠入了1500米深的海底。幸运的是，船员们留下了他们的午餐，当Alvin被吊起时，食物还在那里，完好无损，没有被微生物攻击的迹象。这加强了深海对重要细菌生命不友好的观点。

然而，Alvin最著名的潜水是1968年对不幸的泰坦尼克号沉船的探索。在2014年完成全面翻新后，Alvin回到了伍兹霍尔的现役任务中。在2022年夏天，这艘潜水器在波多黎各海沟达到了创纪录的6453米深度，这意味着Alvin几乎可以到达海底的任何地方。

黑烟囱

板块构造理论的关键概念之一是，在海洋山脊中心的下方，存在着熔岩腔室。这些熔岩加热了相邻的海水，海水上升并通过热液喷口流出。1977年，科学家们乘坐Alvin在加拉帕戈斯裂谷进行了24次潜水，这是东太平洋海脊的一个分支。他们发现，裂谷损失的热量中有三分之二通过这些出口逃逸。

乘坐Alvin的科学家们在加拉帕戈斯裂谷发现了丰富多样的生命形式，其深度远远超过了阳光能够穿透的范围。

在Alvin的这些潜水之前，科学家们认为光合作用是支持生命所需的能量的最终和不可或缺的来源，这意味着生物无法在深海的黑暗中生存。然而，乘坐Alvin的科学家们在加拉帕戈斯裂谷发现了丰富多样的生命形式，其深度远远超过了阳光能够穿透的范围。如果不是通过光合作用，这些生物从哪里获得维持自身所需的能量？科学家们回答说，由微小植物组成的浮游植物在表面附近生活，它们死亡并下沉成为“海洋雪”，这是Beebe创造的一个术语，也是挑战者号科学家认可的过程。Rachel Carson在她的书《我们周围的海洋》中描述道：“当我想到深海的底部……我总是看到来自上方的材料不断、不懈地向下漂移，一片片，一层层——这是地球上曾经见过的最壮观的‘雪fall’。”死去的浮游植物落到黑暗的深海底部，为那里生活的生物提供了食物来源。根据这一理论，光合作用仍然是深渊生物的最终能量来源。

但加拉帕戈斯裂谷的热液喷口处的生物浓度比周围海床高出数千倍。喷口内部一些未被识别的过程——不是光合作用——提供了喷口生态系统所依赖的能量。结果证明是“化能合成”，其中细菌氧化无机物质，主要是硫化氢，在化学反应中提供能量以维持更高生命形式。黑色不规则的烟囱标记了一些喷口，那里的化学物质在热水中溶解后，在遇到冷海水时沉淀为暗色的硫化物。科学家们随后在大西洋和太平洋的许多地方发现了这些“黑烟囱”，甚至在陆地上——例如加利福尼亚海岸，那里的板块构造将古老的海底抬升到了海平面以上。

喷口生态系统的生物最终依赖于硫还原细菌——我们几乎可以说它们“呼吸”硫——并包括许多以前从未见过的奇怪居民。没有比管虫更奇怪的了，它们长达3米，但只有4厘米宽，每平方米有数千个个体聚集在一起生活。它们依赖细菌获取能量，不需要消化系统。它们在如此恶劣的条件下的存在再次引发了关于在海底及以下可能存在哪些其他生命形式的问题。

Thomas Gold

如果生命可以在海洋深处存在，那么地球上相当一部分生命是否可能存在于这些深处，而不是上方？这是20世纪下半叶最具创造力和颠覆性的科学家之一的论点。Thomas Gold 1920年出生在奥地利，他的犹太父母在希特勒吞并奥地利后于1938年逃往英国。Gold进入剑桥大学的三一学院，但当二战爆发时，英国将他作为敌国侨民拘留并驱逐到加拿大的一个营地。在那里待了15个月后，他被允许返回英国，在那里他重新进入剑桥学习物理并从事至关重要的雷达工作。Gold的多样化兴趣和成就足以填满一本书，或者几本书。不足为奇的是，他将是最早探索深海热液喷口的更大含义的人之一。

在一篇1992年的挑衅性文章《深海热生物圈》和1999年同名书中，Gold从喷口的微生物生命推断出，这样的生命也存在于海底之下的丰富之中。他甚至提出，地下微生物生命在质量和体积上可能与地表所有生命相当。微生物生命可能无处不在，遍布地球表面矿物颗粒之间的孔隙——不仅在地球上，而且在太阳系的其他天体上：例如月球和火星。它们的空气和水太少，无法在其表面维持生命，但在下方可能存在生命。也许微生物地下生命首先出现，受到早期太阳系表面暴力的保护，并使用化能合成，然后进化成光合作用生命。Gold认为，微生物生命可能在宇宙中广泛存在，这一概念被称为泛种论，可以追溯到公元前五世纪的希腊哲学家Anaxagoras。许多著名的科学家都支持这一观点，但由于无法测试，人们的注意力转向了生命有机构建模块可能在太阳系开始时就遍布整个太阳系的可能性。

深海钻探

探测海底下方的生命是最早的深海钻探项目(DSDP)之一，1970年的第15航次的目标，由哥伦比亚大学的首席科学家Wallace Broecker领导。船员们在海底800米以下的沉积物中发现了甲烷，这是微生物活动的副产品，这些沉积物有数千万年的历史。1986年10月，DSDP第96航次的船员钻探了密西西比扇，这是墨西哥湾东北部的一个海底沉积物堆。他们在海底167米以下的地下发现了微生物活动。到本世纪末，海洋钻探项目已经对14个地点进行了细菌活动的样本采集。这些研究的总结发现，尽管海底下方的微生物数量通常随着深度的增加而减少，但活细胞仍然存在于700米以下。作者得出了惊人的结论，海底沉积物前500米的生物量等于总地表生物圈生物量的10%。这些早期结果表明，活的细菌可能存在于钻探尚未达到的更深的深度。这导致了第一次专门研究地下生命的探险。

2002年春季，海洋钻探项目(ODP)第201航次在两个地点进行了钻探，一个在秘鲁大陆边缘，另一个在赤道太平洋。地下生态系统被发现具有丰富多样的微生物，包括不仅在喷口发现的硫酸盐还原细菌，还有一种从碳反应中获取能量的新类型。这些微生物是“活的”，它们参与了修复DNA和细胞分裂等代谢活动。它们包括生命的所有三个域：古生菌(单细胞生物)、细菌和真核生物(有细胞核的细胞)。到那时，科学家们估计地下细菌生命可能占地球总活体生物量的三分之一。2003年，ODP第210航次在纽芬兰海岸钻探，再次提高了赌注。它在海底以下1626米的地方发现了活的细菌细胞，在1.11亿年前形成的岩石中，温度为113摄氏度。这使得作者估计，地下沉积物中的细菌可能占总细菌生物量的三分之二。

微生物“活着”，因为它们参与了修复DNA和细胞分裂等代谢活动。

2010年10月，综合海洋发现项目(IODP)的第329航次在地球上一些最深的水域——南太平洋环流中钻探。这是五大巨型海洋旋转系统的海洋旋转之一，它们移动着巨大的海水体积。南太平洋环流逆时针旋转，北面是赤道，西面是澳大利亚，东面是南美洲，南面是南极环流。它的中心是“海洋不可达极点”：离任何大陆最远的地方。南太平洋环流的沉积速率是海洋中最低的，其底部沉积物的细胞浓度和代谢活动最少。要发现地球上生命存在的最极端条件，这就是要去的地方。

在JOIDES Resolution号上，经过这么多年仍然在努力工作，在近6千米深的水中，科学家们钻探了100米进入海底。他们发现微生物一直到达岩心的底部，尽管数量不如靠近表面的肥沃区域多。科学家们估计，最深的微生物至少有1亿年的历史，看起来它们只能是化石。当然，没有什么能“生存”100亿年。但是当它们被带回实验室并提供营养时，微生物开始生长和繁殖。

这个看似神奇的发现引发了一个问题，即在过去的1亿年里，环流下方的微生物一直在做什么。也许细胞食物太少而无法分裂，但足以修复受损分子。但“这看起来疯了”，海床微生物生命的领先权威之一Steven D’Hondt说，他想知道是否有另一个未发现的能量来源——可能是放射性——可以支持缓慢的细胞分裂。

在IODP的第337航次上，日本的钻探船Chikyū(地球)，专为深海钻探设计，在日本的下北半岛海底钻探到了2466米以下的海底。它在煤和页岩中发现了与现代热带森林土壤中的微生物相似的微生物群落。这些微生物群落被认为是大约2000万年前居住在土壤中的微生物的遗迹，而不是更现代的微生物可能已经从其他地方迁移到煤层中。为了探索微生物生存的上限温度，IODP的第370航次，Chikyū在位于日本东南部的室户岬附近的南海海沟俯冲带钻探。钻头到达了4776米，最深的岩心在1177米处收集，温度为120摄氏度。在沉积物柱的底部检测到了微生物生命。在那个深度的细胞似乎大部分能量都用于修复高温造成的损伤。几位权威人士曾写道，地下生命温度的上限是80摄氏度，但Gold预测细菌生命的上限温度将在120至150摄氏度之间——他证明是正确的。

火星人

这些来自科学海洋探索的发现表明，微生物生命可能无处不在，存在于地球表面下方的长期被认为不适宜，甚至是致命的条件下。这提出了Gold的假设，即细菌生命可能已经存在，并且可能仍然存在于太阳系的其他天体上，包括火星。尽管红色星球的表面条件恶劣，不断受到太阳和宇宙的致命辐射。火星的表面温度平均为零下60摄氏度，如此干燥，以至于一杯水会立即蒸发。一组科学家用一种名为Deinococcus radiodurans的地球细菌进行了实验，据说这是地球上最坚硬的细菌，根据吉尼斯世界纪录，以测试它是否能在火星上生存。这种生物在核反应堆中茁壮成长。他们发现，如果埋在地下9米处，D. radiodurans可以承受火星水平的辐射280亿年。

本十年晚些时候，欧洲航天局计划向火星发送一个航天器，该航天器将钻探超过2米以下的地表并分析那里发现的有机分子。如果发现了外星生命，而它看起来既不像我们，也不像小绿人，而是微生物，我们人类会如何反应？如果在火星上发现了微生物地下生命的证据，它可能是太阳系中的第一种生命形式，在那里，受到表面暴力的保护并使用化能合成，它确实可能进化成光合作用生命，最终成为我们。如果地球和火星都有地下细菌生命，为什么其他星球就不能呢？

本文译自 The MIT Press Reader，由 BALI 编辑发布。