尋找早期生命的活化石

肖湘

尋找早期生命的活化石

肖湘

"潛水器請(qǐng)求下潛"(IV-5唐嘉陵，當(dāng)日不承擔(dān)下水任務(wù)的主潛航員，潛器準(zhǔn)備),

"同意下潛"（Ⅲ-2葉聰，潛器總負(fù)責(zé)人），

"收到"（總指揮于洪軍），

"橡皮艇已回收至甲板"（Ⅲ-1陳存本，船長(zhǎng)），

"收到"（總指揮于洪軍）。

隨著總指揮最后的口令，2015年1月11日清晨，中國(guó)大洋第35航次第二航段第8次下潛開(kāi)始，這也是蛟龍?zhí)柧幪?hào)94次下潛。本潛次地點(diǎn)龍旂熱液區(qū)，計(jì)劃下潛深度2300-2880米，各就各位為時(shí)間當(dāng)?shù)厣衔鐣r(shí)間7點(diǎn)，計(jì)劃拋載上浮時(shí)間為當(dāng)?shù)叵挛鐣r(shí)間3: 30，計(jì)劃水中時(shí)間10小時(shí)。

蛟龍?zhí)栆皆L的目標(biāo)是西南印度洋超慢速擴(kuò)張洋脊深海熱液區(qū)。常言道：萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，但是大約在深海2000-4000米以下，還存在著不依賴于陽(yáng)光的生態(tài)系統(tǒng)。海底熱液系統(tǒng)廣泛分布于全球的洋中脊板塊擴(kuò)張中心,含有各種還原性氣體、保持著較高的化學(xué)及溫度梯度,類似于早期地球原始環(huán)境。海水經(jīng)裂縫滲入洋殼深部，在與巖漿接觸后發(fā)生水巖反應(yīng)，溶解地殼內(nèi)的多種金屬，再?gòu)难蟮讎姵龅臒熿F狀的噴發(fā)物冷凝、氧化而成的金屬硫化物，高溫硫化物看起來(lái)濃煙滾滾，被形象地稱為"黑煙囪"。更為奇妙的是煙囪體的微生物多樣性很高，特別是古菌，其多樣性超過(guò)其他異質(zhì)環(huán)境，這也是其與生命起源有關(guān)的一個(gè)重要證據(jù)。海底熱液環(huán)境生命起源學(xué)說(shuō)自上世紀(jì)80年代末被提出以來(lái)，還得到很多其他證據(jù)支持："進(jìn)化樹"的根部大多是嗜超高溫微生物,其演化速度較慢；海底熱液系統(tǒng)確存在非生物成因的甲酸和乙酸等簡(jiǎn)單有機(jī)物,甚至FeS/NiS能夠催化將CO2和CO還原產(chǎn)生氨基酸，并進(jìn)一步產(chǎn)生肽鏈；無(wú)生物酶參與的由FeS介導(dǎo)的逆三羧酸循環(huán)過(guò)程的發(fā)現(xiàn)，更是為我們提供了一個(gè)化學(xué)自養(yǎng)模型。作為深部生物圈窗口的現(xiàn)代熱液生態(tài)系統(tǒng)，既沒(méi)有經(jīng)歷地球表面大規(guī)模地質(zhì)歷史事件如"雪球"低溫事件的影響,也沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)一個(gè)明顯逐步降溫的過(guò)程,避免了早期的持家基因(組)的突變、丟失，因此在該環(huán)境中生存的微生物可能保存了與早期生命相似的基因組結(jié)構(gòu),成為代表早期生命的"活化石"。但如何到達(dá)深海獲取熱液煙囪體既是科學(xué)更是技術(shù)難題。

筆者第一次了解深海熱液區(qū)是2001年回到國(guó)內(nèi)開(kāi)始從事深海微生物研究的初期。當(dāng)時(shí)我們既沒(méi)有可以培養(yǎng)深海微生物的實(shí)驗(yàn)室——深海環(huán)境模擬培養(yǎng)系統(tǒng)，也沒(méi)有能到深海原位精確取樣潛器，一切工作都是從零開(kāi)始，獲得一個(gè)熱液煙囪成為夢(mèng)想。記得2007年參加聯(lián)合國(guó)會(huì)議時(shí)，筆者專門抽出會(huì)間寶貴的時(shí)間去紐約自然歷史博物館參觀了從Juan De Fuca洋脊獲取的大型熱液煙囪體，留下了深刻印象。2008年，筆者作為航段首席帶領(lǐng)大洋1號(hào)科考船在西南印度洋熱液區(qū)利用電視抓斗獲取了一個(gè)死煙囪體，其難度就像在一個(gè)晃動(dòng)的5層樓頂用一個(gè)繩系的鑷子在硬幣上抓取一個(gè)芝麻，當(dāng)時(shí)的喜悅之情我現(xiàn)在還記憶猶新。再后來(lái)，筆者參加了美國(guó)Atlantis-26航次，在東太平洋海隆獲取了多個(gè)煙囪體。稍感遺憾的是，由于當(dāng)時(shí)美國(guó)新Alvin號(hào)載人潛水器技術(shù)上不能滿足下潛要求，臨時(shí)改為Jason號(hào)無(wú)人纜控潛器，所以筆者始終無(wú)法到水下親身感受被置放在今天低溫、氧化的海水中"高溫、厭氧的生命搖籃"。

走進(jìn)潛艙之前，我又一次打量了今天的坐騎——蛟龍。他長(zhǎng)、寬、高分別是8.2米、3.0米與3.4米，空重不超過(guò)22噸，最大荷載是240公斤，巡航每小時(shí)1海里，最大工作設(shè)計(jì)深度為7000米。本潛次是主潛航員傅文韜，這是他的第41次下潛，也是第三次熱液區(qū)下潛，左舷是首次下潛的女潛航學(xué)員趙晟婭，右舷科學(xué)家位置坐的就是第二次下潛的筆者，也是第一次到熱液區(qū)。不知道熱液區(qū)居民是否歡迎我們這些好奇者。

筆者乘蛟龍?zhí)柣氐侥复蜿?yáng)紅9號(hào)

潛器下潛的速度大約為每分鐘40米，我們到水下大約需要70分鐘，這是一段相對(duì)輕松的過(guò)程，在完成必要的設(shè)備檢查和聯(lián)絡(luò)后，我們打開(kāi)行李包，開(kāi)始吃備航人員準(zhǔn)備的食物，為后面的工作儲(chǔ)備能量，畢竟從下潛的前一天開(kāi)始，我們就在控制飲食量和飲水。要知道在直徑2.1米的球形艙中方便并不是一件方便的事情。在工作開(kāi)始之前，我又仔細(xì)把本潛次的主要任務(wù)回憶一遍：1、測(cè)深側(cè)掃，獲得熱液區(qū)的微地形地貌；2、選擇合適的低溫?zé)嵋簢娍趨^(qū)，測(cè)定噴口溫度、采集流體，進(jìn)行原位大體積海水過(guò)濾；3、在上述噴口采集煙囪體樣品,標(biāo)志物和各種原位設(shè)備；4、海底高清攝像和拍照，環(huán)境參數(shù)測(cè)量，確定大型生物種類/數(shù)量；5、適量采集巖石，生物樣本；6、培訓(xùn)潛航員和生理監(jiān)測(cè)。除新人以外，這個(gè)潛次最大的挑戰(zhàn)在于新的設(shè)備，我們及合作伙伴研制的深海大體積過(guò)濾水系統(tǒng)。在深潛界業(yè)內(nèi)有一句話，任何一個(gè)新的設(shè)備下海都是噩夢(mèng)，但一代代科學(xué)家和工程師還是勇敢向前。雖然我們的過(guò)濾系統(tǒng)按要求進(jìn)行了3500米的陸地打壓試驗(yàn)，也在南海進(jìn)行過(guò)試用，下潛前團(tuán)隊(duì)伙伴在甲板上通宵測(cè)試，但在其極限深度2880米使用（有一個(gè)安全系數(shù)）1小時(shí)，還是一件有挑戰(zhàn)性的事情。系統(tǒng)能否有效觸發(fā)？過(guò)濾泵能否有效工作？要知道在水下的每一分鐘都很寶貴，更何況對(duì)潛器本身的安全影響. .....還有我們能否順利的找到熱液口并分布溫度探頭？?jī)纱螠y(cè)深側(cè)掃能否順利完成？時(shí)間一分一秒地過(guò)去，我也慢慢進(jìn)入工作狀態(tài)。

9:18分，2857離底50米，高度計(jì)顯示為零，只能通過(guò)避碰聲吶看。這讓我一下緊張起來(lái)，熱液區(qū)地形復(fù)雜，加上噴發(fā)的黑煙，沒(méi)有高度計(jì)幾乎寸步難行。過(guò)一會(huì)傅文韜告訴我們虛驚一場(chǎng)，因?yàn)殡x底高度超過(guò)50米高度計(jì)自動(dòng)顯示為零。9.25分，2825米發(fā)現(xiàn)marine snow（直譯為海雪）明顯增多，marine snow是有機(jī)物未完全降解產(chǎn)物，在燈光下如同雪花一樣，但一般的過(guò)濾卻無(wú)法捕獲，marine snow增多也是附近存在熱液系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)志。9:38，2727米，轉(zhuǎn)向，趙晟婭打開(kāi)儀器，測(cè)第一條線。時(shí)間一分一秒過(guò)去，我也屏住呼吸，因?yàn)橐坏┲型舅罊C(jī)或者潛器走得不直，高度差在40-80米范圍之外，就會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。9: 53分終于完成測(cè)試到達(dá)400米外第二個(gè)點(diǎn)。開(kāi)門大吉，這是否意味著我們今天的下潛會(huì)十分順利呢？

10:39分，2760米水深，發(fā)現(xiàn)活的熱液噴口，熱液一般溫度較高，甚至可達(dá)400℃以上，pH較低，在2-4左右，其中溶有許多過(guò)渡金屬元素，如Fe(II),Mn(II)等。從黑煙囪噴出的熱液還有大量巖漿活動(dòng)形成的CO2(4-215 mm/kg)、H2S(3-110 mm/kg)、H2(0.1-50 mm/kg)并混有生物及非生物來(lái)源的不同濃度的CH4(0.05-4.5 mm/kg)。煙囪內(nèi)部與外部冰冷的海水（2℃）之間形成巨大的溫差。熱液中溶解的還原態(tài)氣體和金屬是整個(gè)熱液生物群落的能量來(lái)源。

我們首先發(fā)現(xiàn)的是低溫?zé)嵋簼B漏區(qū)，所謂低溫滲漏，在本地區(qū)往往是在大的煙囪體的根部或者柱體周圍少量熱液滲漏形成的生物聚集區(qū)域，通常在10℃左右。從舷窗看出去，是一片黃色的世界，大量的藤壺就在舷窗外，就在我的手邊，因?yàn)樗鞯牟▌?dòng)，看起來(lái)比鮮花更生動(dòng)。由于水深對(duì)光線的影響，與到水表面的褐色不一樣，含金屬的煙囪體看起來(lái)顯淡藍(lán)色，更增添了神秘感。一條1米5長(zhǎng)的大魚，直勾勾的在舷窗前盯著我們，我想它應(yīng)該是這個(gè)世界的長(zhǎng)老。整個(gè)滲漏生物區(qū)面積大約50平方米，分4-5層，每層大約1個(gè)桌面大小，甚至還有部分生物層層倒掛在突出的崖壁下面。后來(lái)的統(tǒng)計(jì)共發(fā)現(xiàn)巨型底棲生物6個(gè)門：軟體動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、棘皮動(dòng)物和脊椎動(dòng)物。其中軟體動(dòng)物豐度最高，為優(yōu)勢(shì)類群之一。可以肯定的說(shuō)這是我所見(jiàn)過(guò)最大的熱液生物聚居區(qū)，這個(gè)小生態(tài)系統(tǒng)是依賴于共生的自養(yǎng)微生物獲得有機(jī)物質(zhì)和能量。我們?cè)O(shè)計(jì)的大功率采水泵可以直接緊貼在大型生物的體表過(guò)濾微生物與大型生物幼體，并直接將RNA固定下來(lái)，反應(yīng)當(dāng)時(shí)（微）生物的狀態(tài)。10:59，機(jī)械手觸發(fā)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，水泵啟動(dòng)，取水管口綁縛著我們的低溫探頭以及溶解氧探頭，忠實(shí)記錄著取樣點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。1小時(shí)后，取水完成，我們利用機(jī)械手抓去了藤壺、貽貝、螺等大型生物，隨后又用溫度探頭檢測(cè)了其他幾個(gè)發(fā)現(xiàn)的流體。隨后我們開(kāi)始尋找高溫?zé)嵋簢娍凇?/p>

尋找高溫?zé)嵋簢娍谑且粓?chǎng)真正的冒險(xiǎn)之旅。本地區(qū)的煙囪柱可以到達(dá)20米以上高度，煙囪口溫度達(dá)到400℃以上熱液可對(duì)視窗直接造成威脅，而噴口區(qū)往往崖壁陡峭，能夠供潛器?？康钠脚_(tái)很少。而所謂的平臺(tái)也可以看成薄皮的小火炕，蹭破點(diǎn)皮就可能成了新的煙囪。如果大家仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)不少深潛器在熱液噴口工作后回到水面被熏黑的部分。實(shí)際上身臨其境，你會(huì)發(fā)現(xiàn)各種黃色的懸浮物顆粒和/或黑煙可以讓你的視距為零，此時(shí)無(wú)論是直接碰撞或者被熱液灸烤，后果都不堪設(shè)想。我們?nèi)f分小心，潛航員駕駛著蛟龍從水流上方順流接近噴口，滾滾濃煙就在我們正舷窗靠左邊1米處，非常壯觀。用我們攜帶的高溫探頭，進(jìn)行了20分鐘的溫度測(cè)量，隨后從噴口處掰掉幾塊煙囪體我們擱置在取樣筐中小心蓋好帶回來(lái)，這些從噴口煙囪壁上分離的高溫微生物就是我們探尋的活化石，記錄了早期生命的歷史。

現(xiàn)存的化石記錄多來(lái)自于寒武紀(jì)之后，而此前30億年，生命已經(jīng)在地球上存在。以典型深海熱液區(qū)超嗜熱古菌為模板,結(jié)合現(xiàn)代生物信息與遺傳操作技術(shù),從其核心代謝途徑出發(fā),就可以找出其生存所需的邊界條件,進(jìn)而通過(guò)遺傳密碼推斷出早期地球適合于這些古老生命生存的大致環(huán)境。破解早期生命起源與演化的奧秘。

工作很緊張，時(shí)間過(guò)得飛快，到15:13，2710米，第六個(gè)點(diǎn)，第二次測(cè)深側(cè)掃開(kāi)始，通過(guò)在熱液區(qū)東西兩邊兩次南北向測(cè)深側(cè)掃結(jié)果的疊加，我們才能獲得較為精確的噴口區(qū)地形地貌。這項(xiàng)工作進(jìn)行的也很順利，但我們希望更往南面多走一點(diǎn)點(diǎn)，直到水面?zhèn)鱽?lái)拋載的指令，我們才依依不舍地離開(kāi)海底,時(shí)間是15:30。

上浮的過(guò)程中傳來(lái)了母船的關(guān)心，按例現(xiàn)場(chǎng)指揮部雖然一直焦急等待但為不打擾我們現(xiàn)場(chǎng)決策一般不主動(dòng)詢問(wèn)。我們依例進(jìn)行了各項(xiàng)檢查，向水面報(bào)告潛器、人員狀況正常，又簡(jiǎn)短地總結(jié)了主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成果，等待著我們的是水面兄弟姐妹的笑臉，我也期待著這些寶貴的樣本能早點(diǎn)回到實(shí)驗(yàn)室，幫助我們揭示早期生命與地球環(huán)境的奧秘。

西南印度洋熱液區(qū)，我們還會(huì)回來(lái)的！