寻找生命起源，在滚烫的海底喷口

寻找生命起源， 在滚烫的海底喷口

作者：乔恩·皮尔（Jon Pill）

译者：常梦秋

▲　正在“冒黑烟”的热液喷口

光合作用是植物从太阳中获取所需能量的化学过程。科学家在18世纪发现光合作用后，就认为地球上所有的生灵都需要依靠阳光存活，食物链中所有的能量都源自太阳。

这点对于海洋也应同样适用。虽然水能吸收阳光，位于海面以下仅仅数百米的世界就几乎完全处于黑暗之中，但这里的生物可以通过捕食其他能游到海面的动物来获取“阳光”。或者，“阳光”会寄在“海洋雪”中沉入海底。“海洋雪”是从海面的生态系统中飘降进深海的生物碎尸。

大多数科学家认为，在深海里，你只能找到最基本的生命形式。因为浸入深海的“阳光”还是太稀薄了。

在海洋最深处的某些地方，岩浆会穿透地壳喷薄而出，造出一个个小型的海底火山。在这些地方，地球将温度极高的烟和各种气体排入水中。这些地方被称为“（海底）热液喷口”。

科学家在发现热液喷口中生存着各种复杂的生物时大吃一惊：长达两米的管虫（又名“管蠕虫”）牢牢地固定在岩石上，像血红色的草一样摇曳；与此同时，白色的蟹类一个一个、像幽灵似地在这些管虫旁边急速的爬行。这些蟹类以管虫顶端上的羽状绒毛和绒毛上的附着物或残渣为食。而角鲨也会在管虫周围游来游去，等待着下一顿“晚餐”——蟹类的出现。

科学家对此十分困惑，怎么可能在阳光如此匮乏的深海里看到这番景象呢？

热液喷口

加拉帕戈斯群岛（又称科隆群岛）附近的热液喷口被称为“（海底）黑烟囱”，因为科学家在靠近它们时会看到一股股黑烟从这些喷口中不断涌出，就像烟囱口的滚滚浓烟。事实上，这股“烟”是一股富含矿物质的水和富含硫化物的气体。对海洋表面生存着的绝大多数生物来说，这是剧毒的毒“烟”。这股卷携着各种矿物质从地壳底下喷薄而出的洪流，温度高达400℃。

加拉帕戈斯群岛

位于南美洲厄瓜多尔西面800千米处的赤道上。这个群岛是火山喷发后，岩浆冷凝、堆积而形成的。1853年，著名的英国生物学家达尔文，曾到这里做过野外考察。达尔文“生物进化论”中的许多事例采撷于此，这一群岛因此闻名世界。

在喷出的水中，各种矿物质会慢慢地析出，沉积在喷口的出口处。历经数千年后，这些矿物质的沉积物堆积成了一根根高耸的烟囱，而每年还在不断析出的新矿物质正一点点将烟囱越垒越高。

科学家在近距离观察这些喷口时发现，看似完全不宜居的喷口里居然布满了大量生物。蠕虫、蟹类和蚌等甲壳类生物聚集在此地，从上到下，布满了每根黑烟囱的每一个角落。

在这些热液喷口中甚至还生存着一种名叫“Geogemma barossii”的细菌，这种细菌也叫“菌株121”。这是因为它们不仅能在高达121℃的高温环境下存活，还能进行生长和繁殖。更令你感到惊讶的是，当温度降到85℃（这样的温度还是高到足以能将你我活活煮熟）以下时，“菌株121”这种生物却会因为温度太低而无法进食和生长。

这是地球上最严酷的生存环境：几千米的水深产生的粉碎性水压、几百摄氏度的高温，还有剧毒的液体。然而，生命在这里生生不息。它们是如何办到的呢？

▲　像血红色的草一样摇曳的管虫

▲　电子显微照片下的“菌株121”，体型是圆形，尾部有用于移动的鞭毛。旁边的黑色物质是铁，就像人类利用氧从食物中获取能量，“菌株121”则是利用铁从它的食物中获取能量

碳循环

当科学家试图去研究并理解一个生态系统时，首先会看这个生态系统的能量来源。

阳光照射在草原上，青草从阳光中获取能量，并利用这部分能量将大气中的二氧化碳转化为碳化合物（例如糖和蛋白质）。太阳的能量被“锁”在这些碳化合物的化学键里，打破化学键就可以释放这些能量。

羚羊吃草时吸收了这些碳化合物，利用里面的能量来做运动和成长，能量转变成它们的肌肉和脂肪，能量让它们逃离狮子的魔爪。不过，狮子还是有可能抓住羚羊，这时，吃掉羚羊的狮子就会吸收掉已经构成肌肉和脂肪的那些碳化合物，将它们转移到自己身上。没被狮子吃掉的那部分羚羊则会让细菌繁殖，能量被细菌吸收。

羚羊、狮子和细菌在消化碳化合物时都会呼吸，它们会将这些碳化合物转换成二氧化碳废气，从呼吸道呼出，被呼出的二氧化碳废气又会被草再一次利用，吸收阳光的能量，成为碳化合物。这就是所谓的碳循环。如你所见，整个循环完全以从太阳获取的能源作为燃料。

那么，在阳光无法射透的深深海底，那些存活着的蠕虫和蟹类又是从哪里获取到能量的呢？

微生物的奇迹

答案就藏在管虫红色的顶端，倘若用一个词来概括的话，那就是“共生”。

所谓共生，指的是两种动物亲密地共同生活，并且从彼此身上直接获益。例如，鳄鱼和从鳄鱼牙缝儿里啄取食物残渣的燕千鸟：当燕千鸟轻而易举地饱餐一顿时，鳄鱼的牙齿也被清理干净了，可谓互惠互利。

科学家在研究由深海潜水器收集上来的管虫样本时发现，管虫体内生存着大量细菌，正是这些细菌和管虫形成了共生关系。管虫利用其顶端红色的呼吸器官吸收海水中的二氧化碳、氧以及火山释放的硫化物（主要是硫化氢），通过血红蛋白把它们输送给体内的共生细菌，并且保护它们不被喷出的一股股“黑烟”冲走，或被蜗牛掘走。作为回报，这些细菌将硫化氢氧化，将产生的能量储存在碳键里，供给管虫生长。硫键通常十分稳固。因此，打破硫键会释放出大量化学能。

细菌和管虫的这种共生关系来源于两种生物进化中产生的关键性适应。一种是细菌已经渐渐转变得不像大多数动物那样利用碳化物作为能量来源，而是已经学会通过分解硫化物来获得能量。

另一种适应则发生在管虫身上，管虫已经把血红蛋白当成自己身上一种普通的蛋白质了。在大多数情况下，血红蛋白可以看成是运送氧气的“化学卡车（运输工具）”，它从某个地方（比如你的双肺）装载上氧气，然后将这些氧气卸载到你需要的地方（比如你的各种肌肉）。但管虫的“血红蛋白卡车”和其他生物的略有不同，它们的“血红蛋白卡车”在热液喷口装载的是硫化物，然后再将这些硫化物卸载给生长在体内的细菌。血红蛋白的功能被改变的原因是我们接下来要深入研究的课题，因为这将会打开另一扇生物学家看世界的窗口。

资源竞争是进化的力量

科学家将自然万物适应自身生存环境的过程称为进化，即随着时间的逐渐流逝，一代又一代生物在遗传学上逐渐发生的变化。而促使这种变化产生的机制是“自然选择”，即与其他不太能适应自身生存环境的同类相比，每一代中那些最能适应自身生存环境的生物能够拥有更多后代。

深海热液喷口里蕴含着大量能源，即从热液喷口喷出的诸多化学物质。然而，自然界大多数生物在热液喷口如此高温的环境中都会被煮熟。这就意味着任何一种能在温水里生存的生物将有更多的机会获得这些丰富能源，能适应的水温越高，能获取的能源就越多。因此，当某种新的变异发生，在距离热液喷口更近的地方便会产生一群新生物，让这种生物离热液喷口更近一步。距离丰富能源越近，生长得也会更快一些。就这样，越来越近，永不停歇。

管虫中的血红蛋白就是进化的一个典范。血红蛋白是一种常见的分子，在高氧环境中，与氧结合的化学键会改变自身形状以便将氧原子牢牢“锁”住；而在低氧环境中，这个键会再次改变形状，让已“锁”住的氧原子能够更加轻易地被释放。

当某种基因变异发生，一只管虫的血红蛋白能够装载硫化氢而非氧气时，与其他同类相比，这只管虫在给共生细菌提供“食物”方面就更具有优势了。

在加拉帕戈斯群岛那一个个黑色的烟囱里，管虫像草一样到处生长，甚至一直长到了烟囱外面。倘若将这些管虫比作大草原上的草，那么在热液喷口这个生态系统里扮演羚羊和狮子的又分别是什么物种呢？

总会有更大的鱼类的

热液喷口是个十分奇妙的地方，各个领域的科学家都齐聚于此，探究着各自领域的科学奥秘。地质学家需要弄清热液喷口的火山特性，这些喷口大多出现在各个大陆板块碰撞造成的地质活跃带上；海洋学家要探究压力和热量间复杂的相互作用和相互影响；生物学家在研究生存在这些热液喷口里的各种生物。

而这些考察研究的前提是潜水设备，通过工程师和水手的努力，将科学家和他们携带的探测仪器带到这一个个热液喷口。

研究自然界中各物种相互影响的科学家称为生态学家。他们会研究如食物链、生存环境和哪种动物捕食另一种动物等课题。随后，他们会总结出生态系统大致的运转法则。

生态学家研究这些热液喷口时发现，这个生态系统的能量来源除了硫之外，还有“海洋雪”。这些海洋雪通常是一小块儿一小块儿的，从热液喷口上方更浅的水域“飘降”。

生存在热液喷口里的蟹类以管虫顶端触手上的羽状绒毛为食，而鱼类则试图以这些蟹类为食。此外，还有另一种行动更加灵活的虫类——“庞贝蠕虫”，它们也生活在靠近热液喷口的地方。庞贝蠕虫身体的一部分生活在温度极高的热液喷口里，另一部分则生活在温度稍低的海水里。

▲　木星的卫星欧罗巴的冰下可能隐藏着类似于“海底热液”的液体海洋

在摇曳的管虫旁边，大型海蜗牛会以生存在管虫里的细菌和管虫顶端触手上的羽状绒毛为食。而长得像蚌一样的甲壳类动物则生存在热液喷口更靠下的地方。

和其他生态系统一样，一旦某种能量进入食物链后就会被不断传递给体型更大且更复杂的生物，而它们又会遇到体型更大的猎食者。当它们死后，就会变成“海洋雪”的一部分，被其他蟹类一点点吃尽。

▲　庞贝蠕虫

潜在的生命起源地

热液喷口与生活在其中的生物的关系或许比文中写得更加复杂。一些科学家认为，在热液喷口富含矿物质的黏土里，第一个自我复制的分子（早期版本的DNA和蛋白质）或许在这里形成。

在这种环境中，复杂的有机分子自然而然地形成；热液喷口的构造也允许一部分化学物质的形成。而这正是一种适宜生命繁殖、生长的环境。

或许，最早的生命形式就在像加拉帕戈斯群岛热液喷口这样的地方出现。科学家仍在对这个理论以及其他几种生命起源理论进行研究，这也会令未来的探索者和科学家们在另一个领域燃起希望——在其他星球上可能存在生物。

我们目前所观察到的太阳系某些星球上的生存环境和热液喷口中的生存环境很像——昏暗无光、高压、高温。木星的卫星欧罗巴（木卫二）完全被冰覆盖，而冰下可能是一片昏暗的液体海洋和曾被美国国家航空和航天局（NASA的太空飞船观察到的火山烟流。这预示着欧罗巴（木卫二）上有这种能产生热液喷口的火山活动。

假如生命能在热液喷口这种极端环境中生存，为什么不能在其他星球上生存？