地表之下的深處，生命起源的線索

2023年春天，科學(xué)家從大西洋海底之下取得了一批地幔巖，這一珍貴的發(fā)現(xiàn)有助于我們書(shū)寫(xiě)地球生命故事的第一章。

科學(xué)家希望通過(guò)研究地球地下環(huán)境中的化學(xué)成分——例如海底深處的巖石——來(lái)了解，是什么驅(qū)動(dòng)了地球上最早的生命形式

1961年3月26日，臨近午夜時(shí)分，一艘經(jīng)過(guò)改裝的海軍駁船在太平洋上不安地?fù)u晃著，深暗的海水拍打著它的船體。這艘船剛剛抵達(dá)眼下這個(gè)位置，此處距離下加利福尼亞半島大約240公里，在與波濤洶涌的海洋抗?fàn)幦蘸?，船員們不得不用沉重的鏈條將船上設(shè)備綁在甲板上。當(dāng)時(shí)，小說(shuō)家約翰 · 斯坦貝克（John Steinbeck）也在船上，后來(lái)，他在為《生活》雜志撰文時(shí)寫(xiě)道：“那仿佛一頭失控的大象?！?/p>

而在岸上，關(guān)于此行目標(biāo)的傳言四起。一些人猜測(cè)他們是在尋找鉆石或沉沒(méi)的寶藏。其他人則懷疑他們是在尋找合適地點(diǎn)將導(dǎo)彈藏到海底。但是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)甚至比最瘋狂的傳言更宏大。這個(gè)計(jì)劃源于地質(zhì)學(xué)家沃爾特 · 芒克（Walter Munk）位于美國(guó)拉霍亞的家中，始于一頓充滿(mǎn)酒精的早餐：鉆一個(gè)足夠深的洞，深到足以穿透地球的地殼、抵達(dá)地幔。地幔是夾在地殼和地核之間的一層熾熱巖石層。

如今，在這個(gè)被稱(chēng)為“莫霍計(jì)劃”（Mohole）的項(xiàng)目過(guò)去62年后，科學(xué)家仍然未能成功地鉆穿地殼的完整部分。但就在2023年春天，在擁有幾十年歷史的喬迪斯 · 決心號(hào)鉆探船上，一個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了僅次于此的事情：他們從大西洋海底一塊地殼特別薄的區(qū)域取回了一批地幔巖。該地點(diǎn)位于一座被稱(chēng)為亞特蘭蒂斯地塊的海底山上，在那里，構(gòu)造板塊的緩慢移動(dòng)將地幔巖塊推到了更靠近海底地表的位置。

雖然地幔構(gòu)成了我們星球的大部分，但它的巖石通常埋藏在地表以下數(shù)公里處，因此很難取得新鮮樣本。但是2023年春天挖掘出來(lái)的那些地幔巖可以提供地球深處運(yùn)作方式的線索，并幫助研究人員更好地理解對(duì)我們的世界至關(guān)重要的構(gòu)造之精巧。

當(dāng)海水遇到地幔巖時(shí)，一系列的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一種混合物，這種混合物能夠產(chǎn)生點(diǎn)燃生命最初之火花所需的有機(jī)化合物?？茖W(xué)家已經(jīng)在亞特蘭蒂斯地塊頂部的龐大地質(zhì)都市“失落之城”的海底熱泉系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了無(wú)須微生物幫助即可產(chǎn)生小分子有機(jī)物的跡象。長(zhǎng)期以來(lái)，一直有部分科學(xué)家推測(cè)，這樣的環(huán)境可能孕育了地球上最早的生命形式。如今，該團(tuán)隊(duì)最近鉆探的鉆孔（位于海底以下超一公里深）似乎已經(jīng)深入到了這個(gè)熱泉系統(tǒng)跳動(dòng)的心臟處。

2023年春天，蘇珊·朗（右）聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)了一支科考隊(duì)，從海底下方取得了一批地幔巖

“這為我們打開(kāi)了一扇通向充滿(mǎn)可能性之世界的大門(mén)?！泵绹?guó)伍茲霍爾海洋研究所的生物地球化學(xué)家蘇珊 · 朗（Susan Lang）表示。她是這次科考的領(lǐng)隊(duì)之一。

已經(jīng)有跡象表明，鉆孔水中高濃度的氫氣可能可用于推動(dòng)有機(jī)合成。這間“天然實(shí)驗(yàn)室”有望幫助研究團(tuán)隊(duì)解開(kāi)“失落之城”塔狀熱泉口里汩汩流動(dòng)的“創(chuàng)生之湯”的起源之謎，讓他們能夠研究一個(gè)沒(méi)有生命體的世界的有機(jī)化學(xué)過(guò)程——也就是生命存在之前或生命極為罕見(jiàn)時(shí)期的生命化學(xué)。在極端的地下環(huán)境中生存下來(lái)的少數(shù)微生物也可能為最初生命的生存之法提供線索，最終幫助科學(xué)家破譯化合物轉(zhuǎn)化為生物體的關(guān)鍵步驟。

建造失落之城

朗仍然記得大約二十年前的那一天。當(dāng)時(shí)，她獲得了登上首次詳細(xì)研究失落之城海底熱泉的科考船的機(jī)會(huì)。她激動(dòng)得熱淚盈眶?！拔覜](méi)征求任何人的意見(jiàn)就同意了?！崩收f(shuō)，那時(shí)她還是美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究生。

她的熱情反映了“失落之城”的革命性本質(zhì)。2000年，科學(xué)家在亞特蘭蒂斯號(hào)研究船上首次發(fā)現(xiàn)了失落之城里閃閃發(fā)光、半透明的熱水柱。那時(shí)候，所有其他已知的海底熱泉系統(tǒng)都是黑暗的，這是因?yàn)榛鹕搅蚧飳饷?、冒煙的灼熱流體噴射到海洋中，使得煙囪變黑。但是，失落之城的熱泉口卻是幽靈般的白色。

科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，這種淺色調(diào)源于海水和亞特蘭蒂斯地塊內(nèi)部巖石之間的反應(yīng)。這座海底山比雷尼爾山稍高一些，主要由橄欖巖構(gòu)成，而橄欖巖是上地幔的主要組成部分。這座山是由附近大西洋洋中脊的穩(wěn)定移動(dòng)形成的，北美板塊和非洲板塊在此處緩慢分離。這種運(yùn)動(dòng)使上地殼從上升山峰上剝離，露出了大片的橄欖巖核心。

地幔夾在地殼和地核之間，通常很難接近。但就在2023年春天，科學(xué)家鉆進(jìn)了海底的某個(gè)地幔巖靠近地表的地點(diǎn)

橄欖巖通常位于數(shù)千米厚的地殼之下。它在如此靠近地表的位置時(shí)并不穩(wěn)定，因?yàn)楹Ｋ畷?huì)從這里滲入巖石內(nèi)的裂縫。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，橄欖巖中的主要成分——一種名為橄欖石的礦物——很容易與水分子發(fā)生反應(yīng)，引發(fā)一系列稱(chēng)為蛇紋石化的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程會(huì)使水變得高堿性，所以當(dāng)裂縫中流出的液體與新鮮的海水混合時(shí)，淺色的礦物質(zhì)沉淀，形成了失落之城那令人驚嘆的尖頂狀熱泉，這些“尖頂”足有20層樓那么高。

然而，幾十年來(lái)，蛇紋石化的另一個(gè)副產(chǎn)品——?dú)錃狻恢蔽屎推渌茖W(xué)家來(lái)到此處。在適當(dāng)?shù)臈l件下，氫氣可以促進(jìn)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，如將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成微小的有機(jī)化合物，而不需要微生物的幫助（或稱(chēng)非生物反應(yīng)）。持續(xù)的反應(yīng)可以產(chǎn)生更大、更復(fù)雜的有機(jī)分子，也許還可以精心配制出恰到好處的成分組合——糖、脂肪、氨基酸——從而孕育出最早的生命形式。此外，氫氣和小型有機(jī)物也可能為地球上最早的居民提供了食物?！皻錃夥路鹗且磺械年P(guān)鍵?！崩收f(shuō)。

在地球早期，這種氣體可能更為常見(jiàn)，當(dāng)時(shí)地表的礦物組成與今天不同，這使得蛇紋石化反應(yīng)更為普遍。

朗和她的同事想要知道，在亞特蘭蒂斯地塊，哪些有機(jī)化合物可以在無(wú)微生物幫助的情況下形成，又有哪些微生物可能通過(guò)這種不同尋常的“地下自助餐”生存下來(lái)。研究的結(jié)果或許能夠?yàn)樽畛跎问降纳娣绞教峁┚€索，也為這些遠(yuǎn)古微生物出現(xiàn)之前的化學(xué)性質(zhì)提供頭緒。

但是今天，無(wú)論水上還是水下，地球表面都有著豐富的生命，這使得研究人員很難識(shí)別那些在無(wú)生物幫助下形成的化合物。在失落之城尤為如此。“你可以看到那些煙囪上長(zhǎng)滿(mǎn)了黏糊糊的生物膜?！泵绹?guó)猶他大學(xué)的微生物學(xué)家、喬迪斯 · 決心號(hào)鉆探船團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱(chēng)喬迪斯團(tuán)隊(duì)）成員威廉 · 布雷澤爾頓（William Brazelton）說(shuō)。

因此，研究人員將目光投向了海底以下的領(lǐng)域，那里微生物稀少、氧氣稀缺，創(chuàng)造了類(lèi)似早期地球的條件。正如布雷澤爾頓所說(shuō)：“我們需要在字面含義上更‘深入’一些?！?/p>

尋找“天然實(shí)驗(yàn)室”

英國(guó)南安普敦大學(xué)的地球化學(xué)家、多次科學(xué)海洋鉆探科考的資深成員達(dá)蒙 · 蒂格爾（Damon Teagle）表示，在20世紀(jì)60年代，“莫霍計(jì)劃”標(biāo)志著在“英雄科學(xué)”時(shí)代嘗試探索地球未知深處的開(kāi)端。

“莫霍計(jì)劃”這個(gè)名字原本是對(duì)莫霍洛維奇不連續(xù)面（亦稱(chēng)莫霍面）所做的文字游戲——英文“Mohole”是“莫霍”（Moho）和“鉆孔”（hole）組成的拼湊詞——莫霍面界定了地殼和地幔的邊界。在大陸下，莫霍面位于超過(guò)30公里的深處；在海底之下，它位于近7公里深。因此，以地幔為目標(biāo)的團(tuán)隊(duì)通常選擇從船上進(jìn)行鉆探。

“莫霍計(jì)劃”的成果甚至遠(yuǎn)未能接近其目標(biāo)，僅僅鉆透了179米的沉積物和區(qū)區(qū)4米的海底巖石。然而，即使是這樣的成果也揭示了有關(guān)地球的大量信息，包括海底沉積物下隱藏著相對(duì)年輕的火山巖這件事——這一發(fā)現(xiàn)后來(lái)成了板塊構(gòu)造論的一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)。它還推動(dòng)開(kāi)發(fā)了科學(xué)家至今仍在使用的某些技術(shù)，包括2023年春天在喬迪斯 · 決心號(hào)上使用的一些技術(shù)。

亞特蘭蒂斯地塊位于大西洋洋中脊附近的海底，從此處相對(duì)容易接觸到含有混合礦物的巖石，它們可能形成于地幔中

即便在今天，深海鉆探仍然極具挑戰(zhàn)性。一方面，在堅(jiān)硬的巖石上鉆孔會(huì)迅速磨損鉆頭，迫使操作者對(duì)其頻繁更換，并且，他們需要從一艘在方圓數(shù)百乃至數(shù)千米水面上浮動(dòng)的船上重新鉆入同一個(gè)鉆孔，其難度如同將一根針扔進(jìn)針孔。更糟糕的是，2023年春天的科考開(kāi)局并不利。當(dāng)團(tuán)隊(duì)在鉆第一個(gè)試驗(yàn)鉆孔時(shí)，他們的鉆頭卡住了，為了防止船只永遠(yuǎn)錨定在亞特蘭蒂斯地塊，船員用炸藥切斷了連接。然后，讓鉆頭得以多次重新進(jìn)入鉆孔的系統(tǒng)發(fā)生了部分的碎裂。

憑借一點(diǎn)創(chuàng)造力，他們最終在一個(gè)如今被稱(chēng)為U1601C的地點(diǎn)開(kāi)始了鉆探，該地點(diǎn)位于將近850米深的水下。就從那時(shí)起，否極泰來(lái)。

在大多數(shù)海底鉆探科考中，進(jìn)展是很緩慢的，每三個(gè)小時(shí)左右才能把巖芯提到甲板上。但是，喬迪斯團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始行動(dòng)，就幾乎每個(gè)小時(shí)都能往甲板上提取一次新巖芯。處理巖芯的科學(xué)家?guī)缀醺簧线M(jìn)度，不知不覺(jué)中，鉆頭已經(jīng)觸及了地幔巖。

在這次科考之前，人們鉆進(jìn)蝕變地幔巖的最深距離是200米。但喬迪斯團(tuán)隊(duì)僅用了幾天時(shí)間就走完了這段距離，最終鉆到了1267.8米深、以橄欖巖為主的巖層。未能參與最近這次任務(wù)的蒂格爾如是評(píng)價(jià)：“這真是了不起?！?/p>

對(duì)于朗來(lái)說(shuō)，最大的驚喜之一隱藏在鉆孔深處。在取出最后一枚巖芯后，工作人員用清水沖洗了空洞，并任由天然流體和氣體在72小時(shí)內(nèi)緩慢地重新滲入。隨后，他們收集了不同深度的鉆孔水，將其分拆，并對(duì)它們進(jìn)行了包括氫氣分析在內(nèi)的十幾種化學(xué)試驗(yàn)。

本來(lái)，朗最多只期望能在地下找到微量的氫。但是取樣位置最深的水樣中含有極其大量的氣體，以至于當(dāng)它浮出水面時(shí)，管中形成了氣泡，這種現(xiàn)象就類(lèi)似當(dāng)你打開(kāi)一罐新鮮的蘇打水時(shí)所發(fā)生的情況。

“我們都驚呆了，”朗回憶起她自己和布雷澤爾頓的反應(yīng)時(shí)說(shuō)，“我們激動(dòng)得語(yǔ)無(wú)倫次。”

這些水中充滿(mǎn)了氫氣——這是驅(qū)動(dòng)非生物反應(yīng)所需的燃料。

構(gòu)建生命基石的基石

科考結(jié)束六個(gè)多月后，科考隊(duì)仍在處理大量樣本——研究水的化學(xué)機(jī)理、識(shí)別微生物、鑒定巖石的特征等?！叭藗儗?duì)這些巖石進(jìn)行一整套的元素分析?！边@次科考的聯(lián)合領(lǐng)隊(duì)、英國(guó)利茲大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家安德魯 · 麥凱格（Andrew McCaig）表示。

初步模型顯示，鉆孔底部附近的溫度甚至可能達(dá)到122℃，這是目前已知的生命存在的極限（盡管有一些研究表明這個(gè)極限可能更高）。朗警告說(shuō)，這些模型還需要證實(shí)，因?yàn)樗鼈兪腔阢@探過(guò)程中被循環(huán)冷卻水輕微壓低的鉆孔溫度所得出的測(cè)量結(jié)果。然而，如果確認(rèn)了條件果真如此極端，那么這一深度將使科學(xué)家能夠在不受微生物影響的情況下研究促進(jìn)生命的化學(xué)反應(yīng)。

這對(duì)于研究生命起源的科學(xué)家來(lái)說(shuō)將是重要的一步。“在今天的地球上，很難再見(jiàn)到非生物或前生物化學(xué)機(jī)制，因?yàn)槿缃裆紦?jù)了星球的主導(dǎo)地位，生命無(wú)處不在?！眲诶?· 巴奇（Laurie Barge）說(shuō)。她是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一名天體生物學(xué)家，但沒(méi)有參與此次科考。

早期分析還表明，鉆孔水中含有小分子有機(jī)酸——甲酸鹽。甲酸鹽是可以通過(guò)二氧化碳和氫氣之間的非生物反應(yīng)生成的最簡(jiǎn)單的化合物之一，它可能標(biāo)志著早期地球上通往生命最初閃光的第一步。

“這是構(gòu)建生命基石的原材料?！崩收f(shuō)。與甲酸鹽進(jìn)行的持續(xù)非生物反應(yīng)可以產(chǎn)生更大的有機(jī)化合物，如氨基酸，而氨基酸可以串聯(lián)成生命所必需的分子，如酶和其他蛋白質(zhì)。

但亞特蘭蒂斯地塊的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)機(jī)制中仍有許多部分模糊不清。鉆孔深處的甲酸鹽可能和附近淺層地下的甲酸鹽一樣，是在沒(méi)有微生物幫助的情況下形成的，但這還需要更多的測(cè)試才能確定。水中還含有甲烷，一些科學(xué)家認(rèn)為這種化合物對(duì)早期新陳代謝至關(guān)重要，還認(rèn)為它可以通過(guò)與氫氣的非生物反應(yīng)生成。但是，失落之城的甲烷是如何形成的，這是另一個(gè)謎題。布雷澤爾頓說(shuō)，這“既復(fù)雜又令人困惑”。

巴奇解釋說(shuō)，識(shí)別自然界中的非生物反應(yīng)可以為未來(lái)在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試前生物化學(xué)的實(shí)驗(yàn)提供參考，研究人員可以通過(guò)它們調(diào)整參數(shù)，以模擬出更接近早期地球或其他世界的環(huán)境?！笆渲鞘且粋€(gè)非常特殊的地方?！彼f(shuō)。

尋找微生物

這次回收的幾乎前所未有的巨量巖芯也將幫助科學(xué)家將水化學(xué)和巖石類(lèi)型的變化與可能在地下勉強(qiáng)維生的少數(shù)微生物聯(lián)系起來(lái)。研究微生物如何在地下資源稀缺的環(huán)境中生存（也許是通過(guò)消耗氫氣和其他由非生物反應(yīng)形成的化合物）可以幫助我們更清晰地了解早期生命。

布雷澤爾頓致力于尋找微生物用來(lái)將氫氣和小分子有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為能量的特定酶。布雷澤爾頓說(shuō)：“整體的思路是，巖石中存在著化學(xué)反應(yīng)，隨后在某個(gè)時(shí)刻，這種化學(xué)反應(yīng)變成了生命?！边@些酶可能正是能夠幫助研究人員逆轉(zhuǎn)演化時(shí)鐘、破譯最早的新陳代謝起源的關(guān)鍵。

其他的工作則集中在培養(yǎng)巖石樣本和試圖捕捉深層微生物的行動(dòng)上——上海交通大學(xué)負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的地質(zhì)微生物學(xué)家王風(fēng)平如此解釋道。王風(fēng)平研究地下生命已有近二十年，但她和其他深層生物圈的研究人員主要是在尋找隱藏在海洋沉積物中的微生物?！拔覀儗?duì)巖石中的微生物知之甚少，”她說(shuō)，“這是深層生物圈中最深刻的問(wèn)題之一：堅(jiān)硬的巖石里有什么？”

地質(zhì)微生物學(xué)家王風(fēng)平在喬迪斯·決心號(hào)上處理了大約800個(gè)樣本。她想知道，哪些微生物（如果有的話）能在海底深處生存

為了尋找答案，王風(fēng)平在船上粉碎了數(shù)百個(gè)巖芯樣本，每一個(gè)都放入金屬反應(yīng)管或玻璃瓶中。她在樣本中加入了各種食物——一份適合飲食習(xí)慣未知的微生物品嘗的菜單。然后，她將樣本放在不同的溫度下培養(yǎng)，看看會(huì)生長(zhǎng)出什么。

總體而言，她設(shè)置了近800個(gè)孵化器，并在船上的實(shí)驗(yàn)室擺造型與它們合影。她笑著說(shuō)：“這是為了展示我的辛勤工作。”在照片中，她面前桌子上的每一寸地方都堆滿(mǎn)了玻璃瓶，而這些只是她所有樣本中的一小部分。

王風(fēng)平的初步結(jié)果顯示，一些樣本中的甲烷含量過(guò)高，但這些氣體究竟是來(lái)自打嗝的微生物還是來(lái)自產(chǎn)生反應(yīng)的巖石，目前尚不清楚。

許多領(lǐng)域的科學(xué)家都在熱切地等待這個(gè)團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)。加州理工學(xué)院的地球物理學(xué)家宮崎義典表示：“我們肯定能更好地了解……實(shí)際發(fā)生的化學(xué)過(guò)程?！?/p>

然而，圍繞這次最新成果的興奮和勝利中也帶有一絲悲傷。此次科考是喬迪斯 · 決心號(hào)的最后幾次科考之一，該船將于2024年底退役，此前，它在世界各地的海洋水域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)40年的開(kāi)創(chuàng)性研究。目前還沒(méi)有替換這艘船的具體計(jì)劃，這給美國(guó)科學(xué)家的海洋研究留下了巨大的空白。

在其漫長(zhǎng)的服役期內(nèi)，喬迪斯 · 決心號(hào)帶著科考隊(duì)從海底回收了超過(guò)350公里的巖芯。在這份地質(zhì)寶藏中隱藏著我們星球過(guò)去的許多秘密——?dú)夂蜃兓?、海洋化學(xué)機(jī)制，或許還有其他有關(guān)生命起源的線索。但是更多的信息仍然鎖在海底的巖石中，等待著被發(fā)現(xiàn)。

資料來(lái)源 Quanta Magazine

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本文作者瑪雅·魏-哈斯（Maya Wei-Haas）是一名科學(xué)作家，擅長(zhǎng)撰寫(xiě)地質(zhì)領(lǐng)域文章