太空与地下的生命圈

科学家曾思考，如果没有氧气，那么维系现代复杂生命生存的主要物质将是什么。我们发现了很多不依赖氧气生活的细菌，但是对于多细胞动物来说，没有氧气是无法想象的，生物世界永远会有很多的未知之谜。最近科学家发现世界第一种无需氧气的多细胞动物，它们能够生存在病毒细菌和古生菌都无法生存的地中海海底数千米以下沉积层中，并且它的周围还存在着有毒的硫化氢物质，这种后生动物可以生存于持续缺氧状态下，也不需要新陈代谢后的含氧物质。

图026　这种后生动物可以生存在持续缺氧状态下，也不需要新陈代谢后的含氧物质（图片及参考资料来源：《科学家发现神秘生物　不需要氧气也能存活》腾讯科技，2010年04月09日，图片来源意大利和丹麦研究小组。）

这是由意大利和丹麦科学家组成的研究小组负责的研究，科学家从1998～2008年对地中海3000米下的极端环境进行了3次海洋勘测，才在位于希腊南部海域拉塔兰特海盆的地层中发现了这种新生物。这种类型的深海含盐有毒海盆形成于550万年前矿物质沉积洪流中，该海盆内浓密的含盐卤水层厚达60多米。这一卤水层相当于自然障碍，可以阻止海水和沉积物质之间的氧交换作用，使海盆完全不存在氧气。除此之外，拉塔兰特海盆富含甲烷和硫化氢气体。

这种后生动物是铠甲门物种之一，体长不足1毫米，主要生活在海底沉积物中。这一新物种与其他后生动物最显著的区别是，它体内并没有使用氧气和糖生成细胞所需要能量的线粒体。而对于这一新物种，它非常类似于氢化酶体，氢化酶体通过一些单细胞属真核细胞产生能量，期间无需氧气供给。研究人员称，这项研究证实栖息于有毒海盆的这种铠甲门物种是世界上第一种无需氧气生存的动物，它们能够适应厌氧代谢。我们将重新审定动物的生存方式，进一步分析动物的进化过程。

在四万公里长度的大洋海底有很多高一般为2～5米、上细下粗圆筒状、口径约15厘米的黑色烟囱状的怪物，它们以每秒几米的速度向外喷出与海水不一样的液体，这些液体一开始澄清，与周围的海水混合后沉淀变为“黑烟”。“黑烟”形成的原因是新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度较高，海水沿裂隙向下渗透可达几千米，在地壳深部加热升温后，然后再淋滤并溶解岩石中多种金属元素后，又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。由于矿液与海水成分、温度的差异，形成浓密的黑烟，海底及其浅部通道内则堆积这些硫化物的颗粒沉积。在喷出热泉的“黑烟囱”周围，虽然水温高达250℃～350℃，水压为265帕，但活跃着蠕虫类、蛤类、蟹类、虾类、蔓足类、鱼类和硫细菌等各类生物种群，在世界各大洋都发现了这种热水生物群。

因为在热液口，温度的梯度大，刚喷出的热液是300℃，而海底的水温是2℃～4℃，而且这个地方PH值和氧化还原点也有极大的梯度，在这种时候最容易形成和进行化合作用，很多人判断“黑烟囱”上面有各种各样的矿物质，生命起源很有可能就在这里。

深海热液生物群表明，地球上存在着不需要光合作用、不需要植物作为食品链的生命系统。

另外，在大陆坡、深海区分布着天然气水合物，即可燃冰。海底升温或减压，就会释放出大量的甲烷，可以在海水中形成一种被科学家称为冷泉的甲烷柱。在冷泉附近生存着依赖冷泉的生物群，被称为“碳氢化合物生物群落”。这些天然气水合物释放区的生物群也是独立生态系统，其食物链低层生物也是一种管状蠕虫，依靠甲烷细菌提供能量。

据美国《大众科学》杂志报道，国外科考人员日前首次在地壳辉长岩层发现了生命，同时还找到了能够证明有生命存在于更深地底的证据。研究人员在大西洋中部海底，一个非常活跃的厚度只有70米玄武岩层断层地块进行钻探，在钻探1300多米后到达了地壳辉长岩层，这里的温度超过了海平面沸点属于高温高压，但是这里存活着大量生命，主要是细菌种，经过长时间的进化以甲烷等碳氢化合物为食，与在油藏层发现的细菌相类似。这一发现表明，细菌可能并不是在辉长岩层进化，而是从上方的地层向下迁移。在海床下方深处发现以碳氢化合物为食的生命表明，研究人员有可能在更深的区域，也就是在地幔发现生命。

继续向地球深处探索，地壳下3000米即所谓的地表下岩石圈，这些厚重岩石的温度超过了40℃，由于缺乏氧气而能够使大多数人们熟悉的生物窒息，在这里科学家们发现大量的名为生物膜的一些细菌和其他微生物，并且在这个地狱般的环境中首次发现多细胞生物——线虫。这些线虫身长约半毫米，以细菌为食，通过单性生殖方式不经交配来繁殖，能忍受生活环境中的高温，多细胞生物在如此恶劣环境中的生存能力对于研究宇宙生物学也有参考价值。

科学家们估计，地球半数生命藏在地下，地球的近半数活的物质隐藏在海洋或陆地的岩石、土壤、树根、矿藏、油井、湖泊和蓄水层中，他们把它叫做“地下生物圈”或者“地球的地下室”。在这个地下世界里，没有阳光，生命往往生活在极端环境之中，从地球表面延伸到地下数百米或者数千米。这一环境中的生物体的总量可能相当于地球表面所有生物的量。

20世纪90年代后，人们用石油钻探和大洋钻探分别在北海和太平洋底下探索深度地层的各类岩样，在玄武岩火山玻璃中都发现了微生物，有时候每立方厘米沉积物中就有1000多万个活细菌。经计算，地球下的生物量竟达到地球表层的1/10，占全球微生物总量的2/3。显然，在地下深层存在一个覆盖全球的深部生物圈。这些在极端环境下的微生物，新陈代谢极端缓慢，长期处于休眠状态，极少消耗能量，都是些极其高龄的生物。有人对4000万年前密闭在琥珀中蜜蜂体内的细菌培养后，细菌居然活了过来；又有人在新墨西哥州地下600米处，2.5亿年前的结晶盐中找到了处于假死状态的细菌。

科学家们在英国一条河流中发现了通常生活在高空中的细菌种类，这种细菌名为“同温层芽孢杆菌”，其通常存活于距离地面20英里（32公里）的高空。在河中发现它们可能是因为大气循环被带下来的。这一大气循环让水汽上升，并再次落下。这种生命力顽强的特殊细菌可以被用在微生物燃料电池（MFC）当中，用以将废水转变为电力和洁净水。

欧洲航天局发表公报说，为了探寻太空中生命存在的迹象，该机构在国际空间站的“哥伦布”实验舱内进行了一系列实验，其中包括在舱外悬挂12个手提箱大小的盒子。这些盒子里被放入664种生物和生物化学样品，观测时间为期18个月。研究人员发现一些生物存活下来，比如水熊、卤虫和一种多足摇蚊的幼虫，水熊能够继续存活，其中适应能力最强是地衣植物丽石黄衣。

生物如果想适应太空生活，不仅仅要面临着恶劣的环境，而且最难以忍受的应该是太空辐射了。美国科学家已破译了“超级细菌”的全部基因的遗传密码。“超级细菌”名叫异常球菌，已有20亿岁的高龄，是地球上存在的最早的生命形式。它以超强的抗辐射能力而被誉为“世上最坚韧的生物体”，即使原子弹爆炸也奈何不了它。“超级细菌”可用于保护核设施附近的环境，解除重金属、放射性核废料和其他有害物质对土壤和地下水的侵蚀。

在一般的情况下，人在5戈瑞（辐射强度的计量单位）的辐射下只能存活1小时（广岛和长崎原子弹爆炸的辐射剂量即相当于10戈瑞）；普通细菌2000～5000戈瑞的辐射下也会全部死亡；但是从2003年起，新疆农业科学院微生物应用研究所在科技部支持下，对新疆高放射性污染土壤进行了耐辐射微生物资源研究。获得了耐10000～30000戈瑞辐射的各类细菌、放线菌、真菌（含酵母菌），并初步确定耐辐射微生物新科1个，新属10个，新种20多个。其中耐辐射放线菌和耐辐射真菌是世界上首次被发现和分离出来的。

美国俄勒冈州大学科学家从该州山区海拔1524米左右的熔岩管内的冰中发现了细菌，这些细菌以橄榄石中的铁为食，能够在氧量较低、温度接近零度和完全没有有机食物存在情况下生存。在火星岩石中，科学家同样发现了橄榄石，这次发现的细菌拥有惊人的生存能力，而火星环境与其非常类似，能够在类似火星的环境下繁衍生息。

科学家证实，经过长时间的进化，这种细菌能够适应严酷的生存环境。在室温和正常的氧水平条件下，这种细菌以糖等有机物质为食。在移除这些食物同时将温度降至接近零度和降低氧水平后，这种细菌开始以在熔岩管中发现的橄榄石作为能量之源。橄榄石是存在于地球和火星火山岩中的常见矿物。火星地下可能存在类似环境，细菌能够在这种环境下生存。科学家曾对来自火星的一颗陨石进行分析，结果发现了细菌新陈代谢的迹象。

目前，微生物可以通过吞噬硫化物进行生存已经被证实。个体的大小只有千万分之一米的长度。而且他们的形状和群落显示出并不一致的特征。根据相关的科学家介绍：在这些微生物化石上还检测到了铁和硫的化合物，这可通过硫和硫酸盐代谢的产生。

而嗜硫细菌在今天的地球上仍然是非常普遍的，我们可以在臭水沟或者土壤中找到它们，也可以在更加极端的环境中生存，例如深海热泉特殊生态系统。从这个角度可以推测，火星上也存在着如此极端恶劣的环境，同样有理由想象，或许在地球上，一些微生物可以以火山喷发出的硫化物分子为能量来源而生存。从本质上讲，它们“食用”这些硫化物就相当于人类呼吸氧气。那么在该星球大气层中探测到硫化物分子，将有助于判断该星球是否有生命存在。

如果这种“影子生物圈”的确存在——生命真的在地球上进化过不止一次，这将表明生命并不是如此的特别，它可以相当容易地扎根于某个地方。这样一来，宇宙中其他世界存在生命的几率将大大增加，这拓宽了科学家对各种新的可能性的认识，表明生命能够以比以前想象的更多形式存在，生活在更为广泛的地方。

我们前面提到的很多在极端环境下生活的细菌，被列入古细菌的行列之中。古细菌常生活于热泉水、缺氧湖底、盐水湖等极端环境中的原核生物。具有一些独特的生化性质，如膜脂由醚键而不是酯键连接。在能量产生与新陈代谢方面与真细菌有许多相同之处，而复制、转录和翻译则更接近真核生物。古核生物与真核生物可能共有一个由真细菌的祖先歧化而来的共同祖先，现今最古老的生物群，为地球原始大气缺氧时代生存下来的活化石，为单细胞生物，并无真正的核。染色体含有组蛋白，RNA聚合酶组成比细菌的复杂，翻译时以甲硫氨酸为蛋白质合成的起始氨基酸，细胞壁中无肽聚糖，不同于真细菌，核糖体蛋白与真核细胞的类似。许多种类生活在极端严酷的环境中，与真核生物、原核生物并列构成现今生物三大进化谱系。

古细菌多生活在极端的生态环境中，具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；具有环状DNA结构以及细胞产能、也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白；此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸，D型氨基酸等。

图027　古细菌（图片来源：微图网）

图028　古细菌（图片来源：微图网）

古菌细胞有各种形状，如球形、杆形、螺旋形、叶状或方形，它们具有多种代谢类型。值得注意的是，盐杆菌可以利用光能制造ATP，尽管古菌不能像其他利用光能的生物一样利用电子链传导实现光合作用。一些人认为真核生物起源于一个古菌和细菌的融合，二者分别成为细胞核和细胞质。这解释了很多基因上的相似性，但在解释细胞结构上存在困难。

以上很多事实说明，生物体会以各种方式生活在极端环境之中，其中包含大量的多细胞生物，而古细菌在极端环境下更具有代表性，古细菌分为如下几种：

极端嗜热菌：能生长在90℃以上的高温环境。有的最适宜生长温度为100℃，80℃以下即失活，在意大利海底发现的一族古细菌，能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，降至84℃即停止生长；美国的J.A.Baross发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以取得能量。

嗜盐细菌：它能在极端地盐环境下生长和繁殖，特别是在天然地盐湖和太阳蒸发盐池中生存。由渗透势原理可知，高盐溶液中的细胞将失去更多的水分，会变成脱水细胞。而嗜盐细菌可产生大量的内溶质或保留从外部取得溶质的方式来维持自身的生存，如嗜盐杆菌在其细胞质内浓缩了高浓度的氯化钾，其中有一种酶只有在高浓度的氯化钾中，才有活性，才能发挥其功能。而与环境中盐类接触的盐杆菌，其细胞质中的蛋白质需要有高浓度氯化钠才能发挥作用。这是古细菌种的一种。

极端嗜酸菌能生活在pH值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢产物排出体外。

极端嗜碱菌：生活在盐碱湖或碱湖、碱池中，生活环境PH值可达11.5以上，最适PH值为8～10。

产甲烷菌：是严格厌氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同时释放能量。CO2+4H2→CH4+2H2O+能量。

由于古细菌所栖息的环境和地球发生的早期有相似之处，如：高温、缺氧，而且由于古细菌在结构和代谢上的特殊性，它们可能代表最古老的细菌。它们保持了古老的形态。