地下生命靠什么活著？

編譯 劉迪一

沒陽光？ 沒問題。 放射性衰變可能支撐著地下生命。

科學(xué)家為追求生命的極限，不斷突破探索的邊界。他們向地表以下挖掘數(shù)千米，從礦井底部向外鉆探，并將鉆孔深入至海洋沉積物。美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心的化學(xué)家和天體生物學(xué)家托里?霍勒（Tori Hoehler）表示，令他們驚訝的是，“我們看到到處都是生命” ，它們以驚人的數(shù)量存在著。根據(jù)各種估計(jì)，有生命居住的地下區(qū)域的空間是海洋的兩倍，擁有1030個(gè)細(xì)胞——這使其成為地球上最大、最古老以及最具生物多樣性的棲息地。

研究人員仍在努力探索地下空間的大部分生命是如何生存的。用于光合作用的陽光顯然無法抵達(dá)如此深度，而這里微薄的有機(jī)碳食物也往往很快耗盡。與居住于海底熱液噴口附近或因火山活動(dòng)而升溫的大陸區(qū)域內(nèi)的生物群落不同，地下的生態(tài)系統(tǒng)通常無法依靠高溫過程給某些不進(jìn)行光合作用的地下生命提供支持——這些微生物必須在寒冷和黑暗下生存。

2021 年2 月，兩支科研團(tuán)隊(duì)分別發(fā)表論文，似乎解開了關(guān)于地表下方和深海沉積物里的細(xì)胞的一些謎團(tuán)。他們提供的證據(jù)表明，正如太陽的核聚變反應(yīng)為地上世界提供能量，另一種核過程——放射性衰變——能維持地表深處的生命。巖石中不穩(wěn)定原子的輻射可將水分子分解為氫和具有化學(xué)活性的過氧化物及自由基。某些細(xì)胞能直接以氫氣為燃料，其他的分解物可將礦物質(zhì)和周圍的化合物轉(zhuǎn)化成額外的能源。

盡管這些輻射分解反應(yīng)產(chǎn)生能量的速度比太陽光和地下熱的過程慢得多，但研究人員證明它們已經(jīng)快到能在各種環(huán)境下成為微生物活動(dòng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，并為多種有機(jī)分子及其他對(duì)生命很重要的化學(xué)物質(zhì)的生成提供保障。

布朗大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)家杰克?穆斯塔德（Jack Mustard）并未參與此項(xiàng)新工作，但他表示，這個(gè)輻射分解的理論“開辟了全新的視野”，幫助人類了解生命可能的樣子，可能出現(xiàn)于早期地球，以及我們某天還可能在宇宙中的其他地方發(fā)現(xiàn)生命足跡。

1981 年，也就是科學(xué)家在熱液噴口發(fā)現(xiàn)生命的4 年后，芭芭拉?羅拉（ Barbara Sherwood Lollar）開啟了大學(xué)生涯。如今已是地球科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威人物的羅拉表示，研究地下世界不僅是“一種了解地球上那從未見過的部分，一種我們還不理解的生命的方式”，而且“顯然會(huì)跨越化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的邊界”，使科學(xué)家能以全新且有趣的方式將這些領(lǐng)域結(jié)合起來。

羅拉在20 世紀(jì)80 年代接受了學(xué)科專業(yè)培訓(xùn)，然后于90年代成為多倫多大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家，開啟了自己的職業(yè)生涯。在這個(gè)時(shí)期，越來越多的地下微生物群落被發(fā)現(xiàn)。

“只要你有水、一些放射性衰變、一點(diǎn)硫化物，然后你就會(huì)得到一個(gè)可持續(xù)的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，它可以持續(xù)數(shù)十億年……”NASA的行星科學(xué)家杰西?塔納斯博士后研究員如此說道。

部分研究人員提出這樣一種觀點(diǎn)：可能存在著一個(gè)由氫觸發(fā)的地下深層生物圈，其中充滿了以氫氣作為能源的細(xì)胞。（人們從取自地下深層的樣本里發(fā)現(xiàn)許多微生物都富含能從氫中獲取能量的酶的基因。）許多地質(zhì)過程可能會(huì)產(chǎn)生這種氫，而最為科學(xué)家深入研究的過程只發(fā)生于高溫和高壓條件下，這些過程包括火山氣體之間的相互作用、特定礦物質(zhì)在水作用下的分解以及蛇紋石化作用——某些種類的地殼巖石通過與水的反應(yīng)發(fā)生的化學(xué)變化。

到21 世紀(jì)初期，羅拉與現(xiàn)任職于臺(tái)灣大學(xué)的林立虹以及普林斯頓大學(xué)的圖利斯?昂斯托特（Tullis Onstott）等人在從南非和加拿大地殼深處分離出的水中發(fā)現(xiàn)了高濃度的氫——用羅拉的話說，“在某些情況下，高得驚人”——但他們無法用蛇紋石化作用解釋它，因?yàn)榇诉^程所需的礦物質(zhì)種類通常不存在，而且鑒于這些年一直沒什么火山活動(dòng)和巖漿流，其他過程似乎也不太可能。羅拉說道：“因此，我們開始擴(kuò)展對(duì)產(chǎn)氫反應(yīng)及其與這些地方巖石的化學(xué)和礦物學(xué)關(guān)系的理解?！?/p>

羅拉等人發(fā)現(xiàn)，這些多石之地的水不僅含有大量的氫，還有豐富的氦——這表明鈾和釷等元素的放射性衰變產(chǎn)生的粒子正在分裂水分子。20 世紀(jì)初，居里夫人的實(shí)驗(yàn)室首次觀察到水輻射分解的過程，當(dāng)時(shí)的研究者發(fā)現(xiàn)鐳鹽溶液會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣氣泡。居里稱其為“沒有電極的電解”。（又過了幾年，科學(xué)家才意識(shí)到氧氣來自在此過程中產(chǎn)生的過氧化氫。）

羅拉、林立虹和昂斯托特等人于2006 年提出，南非和加拿大的微生物群落從輻射分解產(chǎn)生的氫氣中獲取生存能量。由此，他們開始了長期的探索，試圖揭示輻射分解對(duì)地下自然環(huán)境里生命的重要性。

接下來十年的大部分時(shí)間里，研究人員從各個(gè)礦場的地下深層含水層中獲取樣本，并將流體的復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)與其地質(zhì)環(huán)境聯(lián)系起來。一些加拿大地殼下的水已與地表隔絕超過10 億年——甚至可能長達(dá)20 億年。水中存有細(xì)菌，且仍非?；钴S。

穆斯塔德說道：“那必須是一個(gè)完全自給自足的系統(tǒng)。輻射分解似乎是一種可以期待的能源，但它是否有足夠能量來維持生命？”

2014 年，當(dāng)羅拉和她的同事將核化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室的工作結(jié)果與地殼礦物成分模型相結(jié)合時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)輻射分解和其他過程可能會(huì)在地下產(chǎn)生大量氫——與來自熱液和其他深海環(huán)境的氫量相當(dāng)。羅拉說道：“我們對(duì)地球上水巖反應(yīng)產(chǎn)氫量的估計(jì)值增加了一倍?！?/p>

微生物可以直接利用輻射分解產(chǎn)生的氫，但這只是故事的上半程：為充分利用輻射分解，它們不僅需要?dú)渥鳛殡娮庸w，還需要另一種物質(zhì)作為電子受體。羅拉等人懷疑這些微生物或許會(huì)在過氧化氫和其他含氧自由基與周圍礦物質(zhì)反應(yīng)所產(chǎn)生的化合物中找到合適的電子受體。他們于2016 年發(fā)表的論文證明，輻射分解過氧化氫可能與加拿大礦井壁中的硫化物相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生可充當(dāng)電子受體的硫酸鹽。不過羅拉和同事還需要給出細(xì)胞依賴硫酸鹽獲取能量的證據(jù)。

2019 年，他們完成了這項(xiàng)證明。羅拉等人通過培養(yǎng)礦井地下水中的細(xì)菌，成功證明微生物能利用氫和硫酸鹽?！爸灰阌兴?、一些放射性衰變、一點(diǎn)硫化物，然后你就會(huì)得到一個(gè)可持續(xù)的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，它可以持續(xù)數(shù)十億年……”NASA 的行星科學(xué)家杰西?塔納斯（Jesse Tarnas）博士后研究員如此說道。

在2021 年2 月發(fā)表的論文中，羅拉和同事證明，輻射分解不僅對(duì)地球上的氫和硫循環(huán)起作用，也在與生命最密切相關(guān)的循環(huán)——碳循環(huán)——中扮演關(guān)鍵角色。他們對(duì)來自加拿大同一個(gè)礦山的水樣進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中醋酸鹽和甲酸鹽的濃度非常高，而這些有機(jī)化合物是可以支持細(xì)菌生存的；此外，關(guān)于同位素特征的測(cè)量顯示它們并非生物制造。羅拉等人推測(cè)是輻射分解產(chǎn)物與巖石中溶解的碳酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果產(chǎn)生了他們觀察到的大量碳基分子。

推測(cè)需要更多證據(jù)來證實(shí)。而僅僅一個(gè)月后，法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)地球化學(xué)家洛朗?特魯什（Laurent Truche）和南特大學(xué)的約翰?范登博爾（Johan Vandenborre）等人就給羅拉團(tuán)隊(duì)幫了大忙。他們此前一直在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中獨(dú)立研究輻射分解，而在其發(fā)表于3 月的論文中，特魯什和范登博爾確定了在存在溶解碳酸鹽的條件下，輻射分解的精確機(jī)制和產(chǎn)率；他們還測(cè)量了各種副產(chǎn)品（包括甲酸鹽和醋酸鹽）的準(zhǔn)確濃度。他們記錄的數(shù)量和速率與羅拉等人在天然巖石的深部裂縫中所看到的一致。

當(dāng)羅拉在進(jìn)行地下研究時(shí)，少數(shù)科學(xué)家正試圖確定海底之下輻射分解的影響，美國羅德島大學(xué)的地球微生物學(xué)家史蒂夫?德洪特（Steve D'Hondt）便是其中一位。同樣是在2月，他和自己的研究生賈斯汀?索瓦奇（Justine Sauvage）以及同事發(fā)表了近20 年來的研究成果，證明輻射分解對(duì)于維持海底地下生態(tài)至關(guān)重要。

2010 年，德洪特和日本海洋- 地球科技研究所（JAMSTEC） 的地球微生物學(xué)家稻垣文雄（Fumio Inagaki）領(lǐng)導(dǎo)了一次鉆探考察，從全球收集海底沉積物樣本。之后，德洪特和索瓦奇將數(shù)十種沉積物懸浮于水中，并使它們暴露在不同類型的輻射下。結(jié)果他們每次都發(fā)現(xiàn)混合液產(chǎn)生的氫氣量比純水受到輻射后所產(chǎn)生的要多得多——沉積物放大了輻射分解的產(chǎn)量。德洪特指出：“在某些情況下，水中沉積物的存在使氫的產(chǎn)量增長了近 30 倍。有些礦物是生產(chǎn)輻射分解氫的溫床，它們非常有效地將輻射能轉(zhuǎn)化為可供微生物食用的化學(xué)能?！?/p>

然而，德洪特和同事在他們鉆探的沉積巖芯里幾乎沒發(fā)現(xiàn)任何氫。他們的判斷是，產(chǎn)出的氫被沉積物里的微生物消耗了。

根據(jù)德洪特等人的模型，在擁有超過幾百萬年歷史的深層沉積物里，輻射分解氫的產(chǎn)生和消耗速度比有機(jī)物質(zhì)更快，這使得水的輻射分解成為這些較老沉積物的主要能量來源——雖然這些能量只占全球海洋沉積物環(huán)境里可用總能量的1%～2%，但其影響仍相當(dāng)大。（另外98%來自有機(jī)碳，有機(jī)碳的消耗主要發(fā)生于沉積物還“年輕”的時(shí)候。）

索瓦奇表示，這意味著輻射分解“是地球上重要微生物群的生物可利用能量的基本來源”——不僅是大陸，在海洋下方也是如此。

關(guān)于輻射分解的新發(fā)現(xiàn)可能不僅能解釋它如何在極端環(huán)境下支持生命活動(dòng)，還有望闡明非生物性的有機(jī)合成如何為地球和其他地方的生命起源奠定基礎(chǔ)。

羅拉團(tuán)隊(duì)最近觀察到，在加拿大礦山周圍的封閉環(huán)境系統(tǒng)中，大多數(shù)含碳化合物似乎是非生物產(chǎn)生的，這讓她感到振奮。羅拉表示，這些地方似乎可以被比作“地球在生命出現(xiàn)之前就存在著的原生湯”——即便生命并非起源于此類能量較高的地下環(huán)境（例如熱液噴口），這些區(qū)域也很可能為生命提供了安全的活動(dòng)場所，幫助它們長期維持，遠(yuǎn)離地表的危險(xiǎn)（如流星撞擊和困擾早期地球的高水平輻射）。

建模和實(shí)驗(yàn)工作表明，即使是簡單的系統(tǒng)（例如僅由氫、二氧化碳和硫酸鹽組成的系統(tǒng)）也可能導(dǎo)致極其復(fù)雜的微生物食物網(wǎng)；將輻射分解產(chǎn)生的甲酸鹽和乙酸鹽等化合物加入系統(tǒng)中可顯著拓寬潛在的生態(tài)景觀。由于醋酸鹽和甲酸鹽能形成更復(fù)雜的有機(jī)物，它們可以帶來更加多樣化的系統(tǒng)。

南加州大學(xué)的行星科學(xué)家道格?拉羅（Doug LaRowe）表示：“假設(shè)輻射只能制造堿性有機(jī)碳，如甲酸鹽和乙酸鹽，如果你將這些化合物轉(zhuǎn)移至不同環(huán)境中，或許它們能在那里反應(yīng)形成其他物質(zhì)?！边@或許有助于科學(xué)家更深入地了解氨基酸和其他重要的生命構(gòu)成要素是如何產(chǎn)生的。

羅拉現(xiàn)在正和其他科學(xué)家合作研究加拿大古代水中存在的有機(jī)分子如何“復(fù)雜化”化學(xué)系統(tǒng)。巴黎地球物理研究學(xué)院的地球生物學(xué)家本內(nèi)迪克特?梅內(nèi)斯（Bénédicte Menez）表示，她的研究團(tuán)隊(duì)致力于確定更復(fù)雜的有機(jī)結(jié)構(gòu)如何形成，以及在一些最早期微生物的代謝中發(fā)揮何種作用。

天體生物學(xué)家也意識(shí)到，在評(píng)估太陽系和銀河系行星和衛(wèi)星的可居住性時(shí)，考慮輻射分解是多么重要。外星生命的維持可能并不嚴(yán)格要求陽光和高溫等條件。在任何存在地下水的巖質(zhì)行星上，輻射分解幾乎無處不在。