地球生命起源自地下？
2013-05-06 14:51
來源: 鳳凰科技
新科學家報導，從瑪士撒拉微生物到厭氧動物，這些奇怪的地下有機物正在重新定義生命體的概念。南非金礦里居住著很多惡魔，它們長有鞭子狀的尾巴，有著貪婪的胃口，但這些惡魔幾乎都是肉眼不可見的，這對研究地球上生命的科學家來說真是個大消息。「這一發現讓我激動不已，」美國普林斯頓大學的地質學家圖裡斯·昂斯托特（Tullis Onstott）這樣說道。2011年他在比阿特麗克斯金礦充滿水的裂縫裡發現有線蠕蟲在遊動。
事實是複雜的有機體應該無法生活在如此深的地下，動物生存所需要的營養和氧氣在幾十米的地下非常匱乏，更別提地下1300米深處。由於蠕蟲像神秘的惡魔一樣躲避陽光，因此昂斯托特的研究小組將其取名為Halicephalobus mephisto，它是以Mephistopheles為名，也即歌德的《浮士德》里的魔鬼。
研究小組在南非地殼深處發現了更多驚喜。在前往南非最深的金礦陶托那金礦探險時，科學家在地下3600米深處意外的發現了另一個線蠕蟲物種，這使得它成為目前為止發現的最深的陸地動物。
我們知道在地球地殼深處存在著很多隔離的生態系統，在那裡生活的生物違反了很多已經確立的生物原則。有的微生物新陳代謝非常慢以至於它可能已經幾百萬年老了；有的細菌的生存完全不依賴太陽的能量；而有的動物的生存完全不需要氧氣。這些奇怪的生物或為我們提供生命的起源以及發展方向的新見解。它甚至可能幫助我們在其它星球尋找生命存在。
深淵里的生命
縱觀整個20世紀，幾乎沒有什麽人懷疑過地球內部可能存在生命，更別提蠕蟲和穿孔的蟲子。生物學家在探索地球地表下方之前就已經在尋找火星上生命存在的跡象。「普遍的觀點是地球深處非常貧瘠，」加拿大多倫多大學的地質學家教授芭芭拉·舍伍德·羅拉爾（Barbara Sherwood Lollar）這樣說道。
直到核武器軍備競賽才推翻了這一正統理論。20世紀80年代，美國將密封的放射性廢棄物罐子埋葬在核過程工藝設備下方，美國能源部有關當局擔心，如果地下深處的確存在微生物，那麽它們可能會消化掉這些密封物。1987年，為了緩解這一恐懼，美國能源部贊助了一支研究小組尋找美國南卡羅來納州薩凡納河流設施下方小口徑小井裡存在的生命。出人意料的是，科學家在地下500米深處發現了細菌和名為古生菌的單細胞有機物。
隨後科學家發現，地下生命不僅存在，而且非常普遍。1992年，英國卡迪夫大學的約翰·帕克斯（John Parkes）在日本海域發現沉積物里充滿了各種生命體。即使在海底500米深處，他們在每立方米的泥土裡也發現了1100萬個微生物。
這其中蘊含的意義非同尋常，即使你考慮到地球內部散發出的熱量會殺死地下4千米深處的任何生命，它仍然存在足夠的空間供大量生命存活。初步估計地下所包含的生命大約佔全世界生物量的1%至10%，對地殼更詳盡的探索將進一步確定這一數值。
同時，研究重心已經轉移到回答其中某些最緊迫的問題，也即深埋地下的有機物所面臨的挑戰。名單之首的問題便是它們在如此貧瘠的環境里是如何進食的。例如，生活在海底地下的微生物在幾千年前被埋葬在地下沉積層之前一定是起源於海底的。周圍泥土只有較少量的營養物質，沒有任何新鮮的食物源，微生物早已經極度飢餓。的確如此，考慮到透過顯微鏡觀測到這些微生物表現出怪異的靜止狀態，有些懷疑論者辯稱這些是完好保存的長期死亡的細胞屍體，而非活的有機體。
然而，這並不是日本南穀日本海洋地球科技署的友希·莫雷諾（Yuki Morono）所發現的結果。他的研究小組利用了日本附近太平洋海底220米深處發現的46萬年歷史沉積物里的細胞樣本，併為它們提供標記有穩定的碳和氮同位素的充足食物源。兩個月之後，莫雷諾在3/4的細胞樣本里發現了同位素的痕迹。這表明這些細胞仍然是活體細胞——儘管從它們的行為中你可能無法辨別。
「與我們相比，它們的生活節奏是如此緩慢，」 莫雷諾這樣說道。「區別活體細胞和死亡細胞非常難。」它們存活的關鍵特徵是無比緩慢的新陳代謝，使得較為貧乏的食物源能夠供應上千年。
瑪土撒拉微生物
雖然這種生活方式看起來非常簡樸，但與丹麥奧胡斯大學的漢斯·羅伊（Hans R?y）和同事發現的生態系統相比，簡直不值一提。在太平洋底部8600萬歷史（比恐龍滅絕還要早2000萬年）的沉積物里，研究人員發現了活躍的細菌和古生菌。這些細胞減少的新陳代謝表明每個細胞一直飲食但非常節儉。在這樣嚴格的約束下，細菌數量相對比較稀疏，大約每立方米的沉積物里只有1000個細胞。
在這些隔離的沉積物中，進化的方式也不盡相同。「如果沒有足夠的能量以滿足每個單個細胞的要求，那麽細胞彼此分離簡直相當於自殺，」羅伊這樣說道。這些古老沉積物種的微生物可能將重心主要放在修復自身的機制，而非大多數其它有機物更加關注的行為：繁殖。
如果這些觀點是正確的，那麽其中有些有機物可能是地球上最古老的生物之一。「據我們所知，這些環境里的細胞可能有上百萬年歷史，」 美國南加州大學的微生物家卡特麗娜·愛德華茲（Katrina Edwards）這樣說道。
雖然它們非常奇怪，但是生活在海底的瑪土撒拉微生物與地球上其它洲地下發現的有機物相比還是非常傳統的。設想一下南非姆波內格金礦下方生活著一個細菌物種，它的食物鏈是從周圍岩石里的放射性衰變礦物開始。在地下尋找這些微生物是件精疲力竭的事。「你可能於早上7點與礦業人員一起下去（金礦），但直到10點半你才到達既定地點。由於那裡溫度和濕度是如此不堪忍受的高，研究人員只有幾小時時間去金礦小口徑小井的夾縫裡蒐集樣本，然後你得立即返回地面。」
最初，結晶岩更類似於荒涼的家園，而非海洋沉積物，它們在史前就深埋地下，身邊不再有有機物質。在地下似乎不太可能找到食物，然而細菌卻能夠頑強的存活下來。它們的秘訣是什麽？答案是鈾。隨著這種元素的衰變，產生的輻射會通過一個名為輻解的過程，導致水分子分離，釋放出自由的氫。隨後細菌結合這些氫與岩石中的硫同位素，以產生足夠的能量維持生命的存活。
通過這種方式為細胞提供能量，這些細菌成為無需太陽能量輸入的特定物種的一部分。「我認為能量源完全獨立於光合作用來源，」台北台灣國立大學的林力宏（Li-Hung Lin）這樣說道。他帶領了研究小組發現了這種細菌。
這類發現拓展了地球上存在的生命的已知邊界，在相當長一段時間內，科學家認為深埋地下的有機物只限於簡單的單細胞生命形式：細菌、古生菌和少數稍微複雜的真菌和變形蟲。雖然它們是了不起的有機體，但它們並不是特別活躍。
昂斯托特發現的惡魔蠕蟲表明動物可以生活在地下幾千米深處。它們只有半毫米長，但與其它地下深處居住者相比，它們顯得幾百倍大且更加複雜。「地殼裡的生物多樣性比我預想的要多的多。」 昂斯托特這樣說道。
然而，惡魔蠕蟲在金礦地下出現的時間可能相對較晚。對周圍水源的同位素測定表明它們大約在1.2萬年前到達這樣的深度，很可能是隨著地下水流入地球內部。更重要的是，當它最後接觸大氣層時，這些水還包含氧氣。一旦氧氣用盡，蠕蟲會死亡，從進化的角度看它們的存在是轉瞬即逝的。
然而，有些動物在這樣令人窒息的條件下仍能長時間停留並存活，例如2010年在地中海深處發現的罕見鎧甲動物門，它們類似於小型死亡的室內植物。這個250微米長的動物擁有類似花瓶狀的兜甲，以及開口處散亂的類似觸角般的突出部分。
然而，並非它們的外表吸引了生物學家的注意。義大利安科納馬爾理工大學的安東尼奧·普瑟杜(Antonio Pusceddu)和同事發現了這些鎧甲動物門進化出一種獨特的新陳代謝方式，它的新陳代謝與其它動物的並不相同，它們並不依賴氧氣的存在。相反，它們通過名為氫化酶體的細胞器利用硫化氫產生能量。
沒有氧氣？沒問題
對於德國杜塞爾多夫大學的威廉·馬丁（William Martin）來說，鎧甲動物門是表明氧氣並非複雜生物存在的關鍵的證據。然而，他也指出，這些生物行動遲緩的行為的確引起對這些發現的質疑。「有些研究人員希望獲得鎧甲動物門是真正活體的獨立確鑿證據。」
如果能夠獲得這些證實，那麽這表明深埋地下的生命體可能比之前預想的要更加複雜，這將預示著兩個新項目的出現——地下深處生命普查和暗能量生物圈研究中心——這些項目計劃在未來幾年內對地下生命進行分類。
除了幫助我們更好的理解地球上的生命，這些結果還能幫助我們回顧最早的起源。至少南非輻解細菌為我們提供了有關分子機制的新觀點，這種機制使得生命能夠在光合作用發生之前繁殖生長。它甚至暗示著生命最初起始於地下。
「生命出現時同時進行著很多狂暴的地質過程，」 舍伍德·羅拉爾這樣說道。「但我們必須考慮另外一種非常有說服力的可能性，也即生命出現在溫暖的斷裂層處，它能夠保護生命不受到嚴重的小行星撞擊或者早期地球所暴露的致命紫外線。」毫無疑問這是一種主流理論：大多數人相信海洋的熱液噴口是地球生命的搖籃。
但是，即使地殼的斷裂處並沒有見證第一個生命形式的出現，它們幾乎肯定是地球上生命到達盡頭時有機物的最後一個避難所。去年英國聖安德魯斯大學的傑克·歐瑪麗·詹姆斯(Jack O’Malley-James)以及他的同事對地球上生命的可能命運進行了建模，因為日益衰老的太陽可能會導致地球的環境越來越惡劣。這個模型表明大約10億年後，地球上的海洋將會蒸發，唯一存活的生命將位於地下深處，它們可能能夠繼續活上10億年。無論是熱帶雨林、熱帶草原還是珊瑚礁，地球上最持久穩固的生命特徵可能是深海生命。
對於其它星球來說可能同樣如此。「深海生物圈的結果完全改變了在其它星球上探索生命形式的策略，」舍伍德·羅拉爾這樣說道。「20世紀70年代前往火星的維京人號探險在火星地表尋找生命的跡象，現在我們知道生命的跡象很可能出現在地下層。」 鎧甲動物門的發現又燃起了尋找複雜生命形式的新希望。
然而，此刻很多人仍將關注重心放在地下。「這是地球上最後一個未被開發的部分，」 普瑟杜說道。「我們期望未來更多激動人心的發現，包括動物和單細胞有機體。」
關鍵字: 地球生命地底