搜尋生命的鐵證

已經(jīng)是接近午夜了?？茖W(xué)考察船“亞特蘭蒂斯”號在哥斯達黎加以西大約1600千米的海面上，在東太平洋中的一片熱液噴口區(qū)域徘徊。在漆黑一片的控制室里，羅格斯大學(xué)微生物學(xué)家科斯坦蒂諾·韋特里亞尼就坐在離我?guī)酌走h的地方。盡管夜已經(jīng)深了，但他依舊精力旺盛。他全神貫注地盯著幾十個監(jiān)視器，只是偶爾用一只手摸一下他那剃得光光的腦袋。監(jiān)視器上顯示著從海底的遙控潛水器發(fā)回的即時影像，我們可以看到溫度超過350℃的、灼熱的濃濃黑煙，從距離我們大約1600米的海底石塔中滾滾涌出。此情此景真是震撼人心！水下的這些石柱正在狂暴地釋放著來自黑暗地心的被封閉的能量。韋特里亞尼是一位打扮得體的意大利人，他穿著一件T恤衫，上面寫著：“RNA（核糖核酸）：另外一種核酸?！彼蔷季加猩竦暮谏劬?，仔細觀察著這股原始的力量。他笑了一下， 說道：“一個（海底）黑煙囪，就是通向地獄的一扇窗戶?！?/p>

? ? 在東太平洋上的熱液噴發(fā)區(qū)，工程師在“亞特蘭蒂斯”號的甲板突出部調(diào)配“詹森”號遠程遙控潛水器。

事實上，（海底）黑煙囪也可能是開啟地球上生命爆發(fā)的窗戶。韋特里亞尼是一個科學(xué)家團隊中的成員，他們來到這些海底熱液噴口，是為了研究微生物。這些微生物像地毯一樣覆蓋了整個熱液噴口區(qū)域。早前，在這艘船的圖書館里，伍茲霍爾海洋研究所的微生物生態(tài)學(xué)家、團隊首席科學(xué)家斯蒂芬·西韋特，為此次長達一個月的探險之旅勾畫出了目標(biāo)。他解釋說，知道這些微生物是如何在這種地獄般的熱液噴口中存活下來的（它們利用的是什么營養(yǎng)素，利用率是多少，它們將熱液轉(zhuǎn)化為鮮活生物量的速度有多快），就能夠讓我們深入了解生命是如何進化的。當(dāng)遙控潛水器在海底工作時，我在控制室中一直緊隨其后，并幫忙記錄。遙控潛水器全天運轉(zhuǎn)，只有當(dāng)海底環(huán)境太過惡劣，以致遙控潛水器無法安全工作時，才偶爾中斷一下。

午夜過后，在韋特里亞尼和我造訪海底“黑煙囪”時，他對我說熱液噴口是“一種歷史遺跡，我們相信，它與地球的早期環(huán)境十分相似。我們現(xiàn)在所做的，歸根結(jié)底是為了了解生命在地球上是如何進化的”。在“亞特蘭蒂斯”號上，不僅可以了解今天生活在熱液噴口中的原始微生物，還可以了解有機生命是怎樣第一次出現(xiàn)在大洋深處的。在這片仿佛超越了時間的海底，巖石與水相遇，當(dāng)我們看到濃濃的熱液從礦物質(zhì)煙囪中滾滾涌出時，恍如我們正在直視著的，就是生命的誕生地。

自1977年熱液噴口被隨“阿爾文”號深潛器下潛的地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來，很多科學(xué)家相信這些深海熔爐很可能就是生命的搖籃。雖然問題還遠未解決，但排出的熱液和周圍的海水帶來了生命的必需元素，比如：碳、氫、氧、氮和硫?？茖W(xué)家相信，這種易燃的混合物很可能生成了大量復(fù)雜分子的前體，比如RNA（核糖核酸）。正是RNA在第一個細胞中攪起了生命的萌動。

人們發(fā)現(xiàn)深海存在熱液噴口的線索，要追溯到1976年在加拉帕戈斯群島附近進行的一次探險，一臺在海底拖行的儀器探測到一股比周圍冰冷的背景海水略微溫暖一些的液體。第二年，地質(zhì)學(xué)家?guī)е顫撈饔只氐竭@里，并且發(fā)現(xiàn)了他們預(yù)料中的、冒著煙的海底溫泉。隨之而來的，還有他們完全沒有預(yù)料到的一群生物：蛤蜊、巨型蠕蟲、粉紅色的魚、天白色的螃蟹。

在當(dāng)時，深海被認(rèn)為是一片生物學(xué)上的荒漠，沒有人料到對海底熱泉的探險還需要生物學(xué)家的參與。但是，當(dāng)?shù)谝淮螡摰綗嵋簢娍跁r，“阿爾文”號深潛器上的地質(zhì)學(xué)家杰克·科利斯立刻就將它們視為生命起源的一個可能地點。熱液系統(tǒng)很可能在早期地球上大量存在，早期的地球溫度要比現(xiàn)在更高。1980年，科利斯與研究了取自熱液噴口的最早一批微生物樣本的微生物學(xué)家約翰·鮑羅什以及研究生薩拉·霍夫曼，聯(lián)合發(fā)表了一個假說，認(rèn)為簡單的有機分子，比如氨基酸，可能在熱液中形成，而且這些分子最終可能被一層膜包裹，從而形成一個活的細胞。鮑羅什將熱液噴口描述為“唯一可以被稱為‘真正原始’的現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境”。

盡管深海熱泉在溫度、壓力以及其他環(huán)境特征上都較為極端，但是在早期地球極為惡劣的環(huán)境下，深海熱液噴口提供了一個相對舒適的避難所。在早期太陽系中，我們年輕的地球暴露在太陽的強烈紫外線輻射中，因為它當(dāng)時還沒有形成保護性的臭氧層。直到生物進化創(chuàng)造出了光合作用，光合作用將氧氣穩(wěn)定地補充到我們的大氣層中，這一噩夢方才宣告結(jié)束。

而且，太陽灼傷并不是地球表面面臨的唯一挑戰(zhàn)。地球科學(xué)家認(rèn)為，就在生命剛剛開始起步的前后，地球曾經(jīng)遭受過太空巖石的狂轟濫炸。卡內(nèi)基科學(xué)研究所天體生物學(xué)家，同時也是《地球的故事》（《地球的故事》主要講述了地球的形成以及地球上早期的生命）的作者羅伯特·哈森說：“這些撞擊使地球的表面以及接近地表的地方變得極其危險，但在海底， 在熱液系統(tǒng)產(chǎn)生的區(qū)域，所有這些問題都被解決了?！?/p>

最重要的是，這些熱液噴口中充滿了能量。起初，從熱泉中噴出的液體是冰冷的海水，后來滲入了海底的裂隙。在地殼中，溶解了來自熔巖的礦物質(zhì)和氣體——比如氫和硫化氫——的海水，在被噴射回海洋之前被巖漿加熱。今天，生活在熱液噴口處的微生物，利用這些熱液中的化學(xué)能制造糖分以及其他一些高能分子，從而形成了食物鏈的基礎(chǔ)。

在一個陽光明媚、和風(fēng)徐徐的下午，當(dāng)我和西韋特在船頭漆黑的控制室里進行早、晚班交接時，西韋特說：“生命需要能量，而在熱液系統(tǒng)中有大量能量可供利用。因此，熱液系統(tǒng)附近是生命開始的絕佳地點。你很容易就可以想象，早期生物在這些能量來源的供養(yǎng)下， 會是怎樣的生機勃勃?！?/p>

海底黑煙囪

關(guān)于生命起源于熱液噴口的假說，也從一種新型熱液噴口的發(fā)現(xiàn)中得到推動。1991年，現(xiàn)在就職于美國航空航天局噴氣推進實驗室的地球化學(xué)家邁克爾·拉塞爾研究了位于南斯拉夫境內(nèi)的一處富鎂礦床，提出該礦床最初應(yīng)該是由一個呈堿性的熱液噴口形成的觀點。而在海底黑煙囪和其他火山口處發(fā)現(xiàn)的典型物質(zhì)，都是一些酸性物質(zhì)。

在當(dāng)時，還從未有人見到過類似拉塞爾描述的堿性熱液噴口。2000年，華盛頓大學(xué)海洋地質(zhì)學(xué)家黛博拉·凱利及其同事，考察了沿大西洋洋底延伸的山脊。她們白天乘“阿爾文”號深潛器下潛，晚上還要拖上一臺攝像機繼續(xù)觀測。一天晚上， 在攝像機傳回的圖像上，有人注意到一個奇怪的白色塔狀物。2天后，凱利下潛到了該地點，并且近距離看到了這個被她稱為“失落之城” 的地方。

“失落之城”的熱液噴口，是通過海水與地殼中的富鐵富鎂巖石礦物之間的化學(xué)反應(yīng)形成的。該反應(yīng)會產(chǎn)生熱量。正如拉塞爾曾經(jīng)預(yù)測的那樣，這些熱液噴口也會產(chǎn)生堿性的熱液，而且這些熱流會從海底向上升騰。當(dāng)這些熱液向上匯入海洋，它們會將溶解的二氧化碳轉(zhuǎn)變成石灰?guī)r結(jié)構(gòu)，而石灰?guī)r結(jié)構(gòu)很可能為剛剛起源的生命提供了庇護。

隨著對“失落之城”熱泉的特性了解得越多，研究生命起源的科學(xué)家越發(fā)感到興奮。其中一個很吸引人的地方，就是在熱液和海水之間出現(xiàn)了離子梯度。眾所周知，離子梯度在幾乎所有已知的生命形式中都是一個至關(guān)重要的因素。堿性熱液的pH值為10至11，而海水的pH值在8左右，因此海水要比熱液含有更多的質(zhì)子（也就是H-1離子）。

這一地質(zhì)化學(xué)現(xiàn)象吸引了科學(xué)家的注意，因為離子梯度是存在于活體生命中的普遍特性之一，而且在細胞獲取能量的方式中，離子濃度是一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。它提供的這個條件，使得深海熱泉有可能成為早期生命的“釀造廠”。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院生物化學(xué)家，同時也是《生命的躍升》的作者尼克·雷恩說：“所有生命體所做的，正是制造一個質(zhì)子梯度，然后利用這些質(zhì)子穿過生物膜所形成的質(zhì)子流來產(chǎn)生化學(xué)能。 ”《生命的躍升》討論了生命的起源與進化。這一通用的能量產(chǎn)生模式，對線粒體來說尤其適用。線粒體是細胞內(nèi)的“發(fā)電機”，就像它在大多數(shù)獨立生存的微生物中一樣，也在人體的細胞中提供能量。

順著這條線索繼續(xù)向前推進，在大約40億年前，居住在熱液噴口毛細孔中的年輕原始生命，可能已經(jīng)通過對RNA進行化學(xué)微調(diào)，獲得了DNA。

管形蠕蟲

雷恩解釋說，這個系統(tǒng)的運作有點像水電站的水壩。以一種蛋白質(zhì)的形式存在于細胞內(nèi)的生物泵，將大量質(zhì)子移到生物膜的一側(cè); 生物膜對質(zhì)子開啟“放行”模式， 使質(zhì)子能夠通過在生命體內(nèi)所扮演的角色類似于渦輪發(fā)動機的另一種蛋白質(zhì)， 穿過生物膜再流回去。 這個“渦輪發(fā)動機”會產(chǎn)生ATP，也就是三磷酸腺苷，它攜帶著可以為細胞活動提供動力的生物化學(xué)能量。

雖然這些特定的蛋白質(zhì)和生物膜在不同的生命形式中差別很大，但是質(zhì)子梯度在人們研究過的幾乎所有生命形式中都存在，一些研究人員認(rèn)為，這是質(zhì)子梯度一定會出現(xiàn)在生命誕生環(huán)境中的間接證據(jù)?！昂茈y解釋為什么所有生物都具有這一特征，除非你能說明在生命開始萌動的地方，就存在質(zhì)子梯度的根源?！钡聡湃麪柖喾虼髮W(xué)進化生物學(xué)家比爾·馬丁說：“說到這里，這些堿性的深海熱泉是不是已經(jīng)開始讓你覺得看上去好多了?！?/p>

那么，生命是如何依靠自身的努力，在像“失落之城”那樣的熱液噴口，或者在像“亞特蘭蒂斯”號下面那些點綴在太平洋洋底的熱液噴口中，成功產(chǎn)生的呢？有一種可能是，在熱液噴口， 一些簡單物質(zhì)（像二氧化碳和氫）之間的反應(yīng)產(chǎn)生了有機分子，而隨著反應(yīng)的進行，這些有機分子變得越來越復(fù)雜。

從本質(zhì)上說，熱液噴口可能扮演了一個“自然水熱反應(yīng)器”的角色。舉例來說，在熱液噴口中的礦物質(zhì)的催化下，二氧化碳和氫反應(yīng)可以生成一種被我們稱為丙酮酸鹽的分子。丙酮酸鹽是多種氨基酸的前體之一，而氨基酸形成以后， 它們之間可以連接在一起形成蛋白質(zhì)。二氧化碳和氫還可以形成甲醛，而甲醛與甲醛之間可以發(fā)生反應(yīng)形成核糖，而核糖是RNA的組成部分之一。而在熱液噴口中發(fā)現(xiàn)的氰化氫自身之間可以發(fā)生反應(yīng)，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，而環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物是RNA的另一個基礎(chǔ)組成部分。核糖、一個堿基和一個磷酸基團（在熱液噴口中同樣也可以發(fā)現(xiàn)）結(jié)合在一起， 從而形成一種被稱為核苷的化合物。若干個核苷酸連在一起，你就有了一條RNA鏈。熱液噴口中的毛細孔可能扮演了生物膜的作用，將諸如RNA和氨基酸之類的有機分子集中在一個狹小的空間里。

最終，這些RNA 將開始自我復(fù)制，這是一個受自然選擇支配的過程。順著這條線索繼續(xù)向前推進，在大約40億年前，居住在熱液噴口毛細孔中的年輕原始生命，可能已經(jīng)通過對RNA進行化學(xué)微調(diào)，獲得了DNA（脫氧核糖核酸）。通過去除一個氧原子，將核糖轉(zhuǎn)變?yōu)槊撗鹾颂?，再加上一個甲基將單個堿基固定住，這樣就造成了DNA 和RNA 的不同。在完成這些后，“近似生命” 還需要組裝出自己的生物膜，并產(chǎn)生自身的離子梯度，用來以ATP的形式制造出能量。做到這一點，它就可以被認(rèn)為是第一個細胞了。

在“亞特蘭蒂斯”號的甲板上，一批采自熱液噴口的樣品破浪而出，當(dāng)?shù)踯噷M滿一網(wǎng)樣品堆放在甲板上后，韋特里亞尼像其他科學(xué)家一樣撲了過去。他拿到一個裝滿海水的盒子，并且從里面掏出了一段“黑煙囪”。這段“黑煙囪”和一個由聚氯乙烯與編織網(wǎng)制成的細菌取樣缸， 都采集自海底，“黑煙囪” 上的黃鐵礦還閃閃發(fā)亮。韋特里亞尼連忙回到船上的實驗室，在那里與他的合作者一起開始處理這些樣品。

韋特里亞尼和西韋特找到的很多微生物，都被證明屬于ε-變形菌綱， 而ε-變形菌綱的微生物在熱液噴口幾乎占據(jù)了統(tǒng)治地位，在地球上的其他環(huán)境中這一情形則不常見。他們還發(fā)現(xiàn)，這些微生物中的一些不耐受氧氣，而是利用硫來進行“呼吸”， 而硫在熱液噴口處通常大量出現(xiàn)?！皩δ切┕爬系纳鼇碚f，這一利用硫的代謝途徑可能是一個核心的代謝途徑，”韋特里亞尼說，“因為這一代謝途徑可以僅僅依靠早期地球的原材料（指硫），而成功地避開了在早期地球上不可能找到的原料（指氧氣等）?！?/p>

對這些原始微生物的分析，能夠為生命的起源提供些什么確鑿的證據(jù)呢？韋特里亞尼說，如果要求他給出一個答案的話，他也很為難。從根本詹尼弗·巴羅內(nèi)，美國“學(xué)者公司”旗下《科學(xué)世界》雜志社的高級副主編。上說， 對“生命發(fā)祥地”的調(diào)查本身還處于“嬰兒期”?！皫资昵?，我們甚至不知道生命可以在一些溫度如此之高的地方存活，”韋特里亞尼說，“生命的起源意味著我們要回到第一個細胞‘組裝’前發(fā)生的非生物過程。通過研究這些熱液噴口的微生物，我們正在盡可能地接近事實真相，以便了解這些早期的代謝途徑究竟是怎么回事。這些熱液噴口的微生物， 很可能是我們能找到的、 最接近幾十億年前已經(jīng)生活在地球上的微生物的群體了。我們相信，在沒有氧氣的條件下，早期微生物可能出現(xiàn)在火山環(huán)境中?！?/p>

在船上，當(dāng)我日復(fù)一日地待在裝滿了顯示器的控制室內(nèi)，記錄著我們在哪里采集到了哪些種類的樣品時，我期待著能夠看到海底的那些巨大煙囪的成長變化。但是一個月以后，它依然沒有什么變化。我清醒地意識到，無論是在“亞特蘭蒂斯”號或是在岸上的實驗室中發(fā)生了什么，確定生命的起源也許仍舊只是遙不可及的事情。但是，我知道是什么力量牽引著探險家，懷揣著每一次都能夠離我們自身的起源更近一些的希望，一次又一次地回到這個地方。