地球深處的微生物

陳重威

最新的發(fā)現(xiàn)表明，在咱們生活的這顆星球上，微生物無(wú)處不在，隨遇而安。

南極冰下湖發(fā)現(xiàn)新物種

2013年3月，俄羅斯科學(xué)家完成了對(duì)南極東方湖深層鉆探所獲取樣本的最后一次分析，在排除了科學(xué)界所知曉的一切生物后，竟然還存在一種與全球數(shù)據(jù)庫(kù)中的一切物種數(shù)據(jù)都不吻合的微生物DNA。這一新生命是未被識(shí)別、未被分類(lèi)的。它不屬于已知的任何一個(gè)物種。用俄羅斯科學(xué)家的話(huà)說(shuō)，“這一新生命出現(xiàn)在世界上絕無(wú)僅有的無(wú)菌湖中。全球找不到第二個(gè)這樣的水體或是實(shí)驗(yàn)室，即便是人為因素也無(wú)法打造出類(lèi)似的環(huán)境?！睋?jù)介紹，他們將再次啟動(dòng)南極深層鉆探，“倘若從水中再度獲得類(lèi)似有機(jī)體，便能斷定我們?cè)诘厍蛏险业搅似渌胤綇奈窗l(fā)現(xiàn)過(guò)的新生命”。

此前，科學(xué)家曾在格陵蘭冰川下方約3.2千米處的冰層中，發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌，它們是迄今為止發(fā)現(xiàn)的體積最小的微生物。這種細(xì)菌生有類(lèi)似尾巴的超長(zhǎng)鞭毛，最適合在冰層微小的紋理中移動(dòng)。一個(gè)美國(guó)科學(xué)家小組成功地讓這種估計(jì)已沉睡了12萬(wàn)年的細(xì)菌蘇醒了過(guò)來(lái)。

意義堪比登陸火星

東方湖是南極洲最大的冰下湖，位于俄羅斯南極科考站附近，面積約1.5萬(wàn)平方千米，深約1200米。它的特殊之處在于，近兩千萬(wàn)年以來(lái)，它與地球大氣層和地表生態(tài)環(huán)境處于完全隔絕的狀態(tài)。早在上世紀(jì)70年代，俄羅斯科學(xué)家便開(kāi)始在此處進(jìn)行鉆探，但當(dāng)時(shí)對(duì)于該湖的存在尚一無(wú)所知，鉆探只是出于古氣候研究的需要。直至1996年，俄羅斯科學(xué)家與英國(guó)同行合作，才發(fā)現(xiàn)了這顆隱匿于南極洲厚重冰層之下多年的淡水明珠。借助無(wú)線電以及地震探測(cè)，終于明確了東方湖的面積、形狀、上方冰層厚度以及水下地貌及沉積層的情況。

1998年，國(guó)際社會(huì)曾發(fā)出呼吁，在研發(fā)出對(duì)東方湖生態(tài)系統(tǒng)污染最小的設(shè)備之前，最好停止鉆探，相關(guān)工作隨即偃旗息鼓。直至俄羅斯專(zhuān)家破解了這一技術(shù)瓶頸后，才恢復(fù)了深層鉆探。2012年2月，俄羅斯第57次南極科考隊(duì)經(jīng)過(guò)鉆探，首次成功穿透冰層，直抵湖表。

俄羅斯科學(xué)院認(rèn)為，此次重大發(fā)現(xiàn)的意義堪比登陸火星。畢竟東方湖已經(jīng)與世隔絕兩千萬(wàn)年之久，此前從未與地球的其他生物圈發(fā)生過(guò)任何接觸。學(xué)者們推測(cè)，湖中可能存在著選擇了其他進(jìn)化道路的新生物。

地球最深處微生物很活躍

科學(xué)家知道，深海生命通常以下沉的有機(jī)物為生。有機(jī)物在下沉過(guò)程中，附著其表面的微生物會(huì)令其營(yíng)養(yǎng)逐漸流失。據(jù)估計(jì)，海洋表面生成的有機(jī)物僅有1%～2%的數(shù)量能夠到達(dá)平均深度約3700米的海底。至于有多少能到達(dá)深達(dá)1.1萬(wàn)米的馬里亞納海溝就不得而知了。為了進(jìn)一步了解深海生命，科學(xué)家利用深海探測(cè)器，獲取了采自太平洋中西部馬里亞納海溝最深處的淤泥。他們分析這些海底沉積物的耗氧量，借此評(píng)估深海微生物的活躍程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些來(lái)自馬里亞納海溝最深處的沉積物的耗氧量高得驚人；相比另一個(gè)6000米深、距馬里亞納海溝60千米的區(qū)域，這里的微生物活躍程度是它的兩倍。

地球的一個(gè)大洞

在如此偏遠(yuǎn)荒涼的地方竟能發(fā)現(xiàn)高于周遭的生命活躍跡象，簡(jiǎn)直令人不可思議。南丹麥大學(xué)的生物地球化學(xué)專(zhuān)家解釋說(shuō)，馬里亞納海溝就像地球的一個(gè)大洞，是下沉沉積物的一個(gè)天然聚集地。類(lèi)似的情況在其他海溝同樣存在?！昂帽然▓@里有個(gè)洞，被風(fēng)吹過(guò)來(lái)的物質(zhì)自然會(huì)落到洞里，慢慢將洞填滿(mǎn)。馬里亞納海溝就是這種情況”。聰明的你一定會(huì)問(wèn)，海底怎么會(huì)有風(fēng)呢？丹麥專(zhuān)家指出，馬里亞納海溝處于下潛區(qū)域，也就是構(gòu)成地表的某一板塊沉到了另一板塊下面。這樣的區(qū)域很不穩(wěn)定，地震頻發(fā)，隨之引發(fā)的泥石流會(huì)將雜質(zhì)帶到海溝中。

壓力巨大、“暗無(wú)天日”的地球最深處居然活躍著數(shù)量驚人的微生物，這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了，對(duì)于海洋表面的微小植物至關(guān)重要的二氧化碳是可以被“埋”入深海的，這一自然過(guò)程有助于緩解地球氣候變化。同時(shí)，這一發(fā)現(xiàn)也拓寬了人們對(duì)維持生命所必需的條件的認(rèn)識(shí)。

“隨遇而安”不在話(huà)下

不久前，另一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在海洋地殼中也發(fā)現(xiàn)了大量活躍的微生物。他們研究的是位于美國(guó)西北部洋面約2600米深的海底巖石，這些巖石從海底隆起的高度在350～580米之間。他們發(fā)現(xiàn)，生活在這些巖石中的微生物，賴(lài)以生存的是海水和巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，而非從海面下沉的有機(jī)物。由此可見(jiàn)，微生物對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)能力極強(qiáng)，“隨遇而安”不在話(huà)下。

說(shuō)到微生物“隨遇而安”的本領(lǐng)，值得一提的是那些生活在海底“黑煙囪”周?chē)?，包括微生物在?nèi)的大量生命。所謂海底“煙囪”其實(shí)是海底熱泉活動(dòng)的殘留物，當(dāng)海底熱泉噴出的富含礦物質(zhì)的熱液與海水混合后，會(huì)因沉淀物堆積而形成一個(gè)個(gè)“煙囪”。因海水的溫度、成分與熱液所含的礦物質(zhì)不同，“煙囪”呈現(xiàn)的顏色也不相同。其中最常見(jiàn)的“黑煙囪”的主體一般為硫化物。

海底“黑煙囪”大多分布在海面以下1000～4000米的地方，在那里，每平方米的面積承受著1000～4000噸的壓力。在那里，終年沒(méi)有陽(yáng)光，不僅缺氧而且富含有毒的硫化物，人們一直認(rèn)為那里應(yīng)該是生命的禁區(qū)。但偏偏就在這些林立的“煙囪”周?chē)?，竟然聚集了大量生物，其中已被發(fā)現(xiàn)的生物種類(lèi)就達(dá)10個(gè)門(mén)類(lèi)500多個(gè)種屬。難道那里就是達(dá)爾文曾猜想的誕生地球生命的“原始湯”嗎？雖然還沒(méi)有最后結(jié)論，但越來(lái)越多的人對(duì)此深信不疑。

生與死的極限

從東方湖到馬里亞納海溝，不論是淡水還是海水的極深處都發(fā)現(xiàn)了微生物的存在。好奇的你一定會(huì)問(wèn)，那么在堅(jiān)固的地殼深處呢？科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，在那個(gè)黑暗王國(guó)里居然也生活著大量的微小蠕蟲(chóng)和“僵尸微生物”，甚至還可能包含著生命起源的新線索。

他們?cè)谥袊?guó)松遼盆地鉆探到地下6千多米的位置時(shí)，在巖石中發(fā)現(xiàn)了微生物。他們?cè)谀戏堑囊粋€(gè)礦井中發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)一無(wú)二的細(xì)菌。它們是一種真正“自力更生”的微生物。相比之下，其他所有已知生物體均需要?jiǎng)e的生物提供某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。該礦井位于地下約3.2千米處，完全與世隔絕。這種細(xì)菌利用含鈾巖石產(chǎn)生的放射能作為能量源，從周?chē)鷰r石和空氣中獲取所需的所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并完成新陳代謝過(guò)程。它們是已知的唯一一個(gè)單種群生態(tài)系統(tǒng)。

科學(xué)家在地下深處發(fā)現(xiàn)的單細(xì)胞微生物包括細(xì)菌和古菌。細(xì)菌需要水和營(yíng)養(yǎng)素，但不一定需要氧；古菌可以靠氨或硫磺的化合物為生。由于食物極度匱乏，那里的微生物是“僵尸”，即生長(zhǎng)非常緩慢，甚至有可能在幾百萬(wàn)年至幾千萬(wàn)年的時(shí)間里都不進(jìn)行分裂，就好像死了一樣。

其實(shí)，“僵尸微生物”在海洋中同樣存在。丹麥科學(xué)家在北太平洋的海底淤泥中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由數(shù)量極端稀少的細(xì)菌和古菌組成的單細(xì)胞微生物群落。這些細(xì)胞在顯微鏡下，幾乎沒(méi)有任何生命跡象。但當(dāng)你以葡萄糖和其他養(yǎng)料來(lái)款待它們時(shí)，它們中的大部分都吸收了很少的一點(diǎn)，這表明它們實(shí)際上依然活著。但要完成細(xì)胞分裂產(chǎn)生子細(xì)胞，它們中的每一個(gè)都要花費(fèi)數(shù)百甚至上千年的時(shí)間來(lái)積聚足夠的能量。這意味著，這些細(xì)胞中有一些的年齡可能已有數(shù)千歲甚至還要更老。它們的存在或許有助于人類(lèi)重新定義生與死的極限。

生命起源的又一種可能

有科學(xué)家因此認(rèn)為，地球上的生命可能起源于地下。那里具備創(chuàng)造生命所需的一切，包括能量、水和富含碳元素的分子。人們可能認(rèn)為地下深處的環(huán)境太極端、太惡劣，但實(shí)際上那里完全沒(méi)有受到小行星撞擊和火山噴發(fā)的影響，地下深處的巖石是原始生命很好的安全港。而且，由于微生物能夠以“僵尸”的形式，幾乎無(wú)限期地在地球巖石中生存，這帶來(lái)了一種可能性，即來(lái)自火星的巖石有可能為我們的地球播撒了生命的種子。因?yàn)榛鹦菗碛幸簯B(tài)水的時(shí)間早于地球，而火星遭到小行星撞擊后，一些含有“僵尸微生物”的巖屑會(huì)飛入太空，最終落入地球。有科學(xué)家因此相信，地球上的所有單細(xì)胞都有可能起源于火星，這并不是瘋狂的科學(xué)幻想。