互动科普

地球大陆上的几乎所有地方都已经被科学家探索过了，不太可能还有许多新的自然奇观等待被发现。但是，海面之下却别有洞天。我们对位于水下那75%的地球表面的认识，甚至比不上我们对火星表面的了解。水面下，有无穷的惊喜正等着我们。

其中一个惊喜出现在2000年12月。一支考察队在测绘海底山脉亚特兰蒂斯山（Atlantis Massif，位于百慕大和加那利群岛中间的北大西洋海面以下约800米处）时，偶然发现了一根从海底升起达20层楼高的白色岩柱。科学家使用阿格二号遥控潜艇和阿尔文号载人潜水艇调查了这一神秘结构，并采集了样本。虽然阿尔文号潜水一次的时间有限，制约了调查，但研究人员仍收集到足够的信息，确定这根白色柱子仅仅是这个区域喷出热海水的众多同类结构之一。研究人员发现了一个海底温泉区，并将这里命名为失落城热液场（Lost City Hydrothermal Field）。它与以前所知的任何海底温泉——包括现在众所周知的海底黑烟囱（black smokers），都不相同。

描述上述发现的报告最初发表在2001年7月的《自然》杂志上，整个科学界为之振奋。那篇论文的第一作者、美国华盛顿大学地质学家黛博拉·S·凯利（Deborah S. Kelley）和她的同事提出了许多根本性的问题：这个热液场是怎样形成的？哪些类型的生物在那里生活，它们是怎样生存下来的？2003年，由凯利领衔，对失落城进行了为期6周的全面考察，以寻求上述问题的答案。对考察收集的样本进行了多年艰苦细致的分析后，专家们现在开始揭示引人入胜的答案。

失落城的研究成果促使人们重新审视关于可能为地球生命出现创造条件的化学性质的一些长久以来被接受的旧观念。这些研究成果还开拓了研究人员有关地外生命的视野，并向如何寻找地外生命的现有观念提出了挑战。

奇怪的化学性质

自20世纪70年代起，科学家就已认识了海底热液喷口。人们最熟悉的就是黑烟囱系统（black smoker Systems），它们出现在大洋中脊（位于构造板块彼此分离区域之上的系列火山链）。因为靠近熔岩，这些喷口的水温可达400℃。这些热水的pH值与柠檬汁相近，在渗入海底下面的火山岩时带走了其中的硫化铁、硫化铜和硫化锌。随着这些酸性热液回升到海底表面通过喷口进入寒冷的海水，溶解在热液里的金属硫化物快速冷却并沉淀析出，形成云状混合物，看起来就像滚滚黑烟。这些金属硫化物在喷口上面累积，使“烟囱”越来越高。虽然喷口周边区域的化学环境严酷，但那里还是挤满了奇异的动物，如有红色顶端的巨型管虫（Riftia），它们既没有嘴也没有肠，但因为与体内能消化喷口有毒硫化氢气体的细菌共生而繁荣兴盛。

与严酷的黑烟囱环境不同，失落城喷口宁静得出奇。这个喷口场位于亚特兰蒂斯山上，距大西洋中脊构造板块边缘以西15千米左右，由于距离上涌岩浆过于遥远，不能把水加热到黑烟囱那样的高温。水只是在流过下方的温热岩石时被加热，测到的最高温度只有90℃。失落城的液体也不呈酸性，而呈碱性，pH值在9~11之间，接近镁乳（milk of magnesia，一种泻药）或日用氨水。由于这些水不易溶解高浓度的铁、锌等金属，失落城无法形成黑烟囱那样的标志性金属硫化物烟柱。相反，失落城喷出的水富含钙，与海水混合产生碳酸钙（石灰石）。石灰石形成巨大的白烟囱，最大的几乎高出海底60米，远远高于最高的黑烟囱。

失落城奇怪的化学性质源于独特的地质环境，这种环境又源于地球自身的结构。把地球想象成一个桃子，桃皮代表地壳，桃肉相当于下面的固态地幔层，桃核代表炽热的铁质地核。随着北美洲和非洲每年彼此缓慢分开25毫米，大西洋中脊地壳正在被慢慢拉开。地壳分离暴露出部分海底地幔，外露的地幔隆起就形成了亚特兰蒂斯山。

地幔主要由橄榄岩（peridotite）构成，而橄榄岩被证明是形成失落城独特化学性质的关键。橄榄岩与水接触，就会发生称为蛇纹岩化（serpentinization）的化学反应。随着海水渗透到亚特兰蒂斯山深处，橄榄岩就转变成蛇纹岩（serpentinite），渗透水因上述反应碱性增强。到渗透水渗出并与海水混合时，它们就充满了蛇纹岩化过程中释放的钙。最重要的是，它们这时处于高度还原状态，这意味着水中的所有氧气都已经被剥夺，取而代之的是富含能量的氢气、甲烷和硫化物等气体——确切地说，那里的氢浓度是自然环境中所能见到的最高水平。正是从这里开始，事情变得真正有趣起来。

开端

氢富含能量，因为它们能把电子转移给氧等其他物质，该过程会释放能量。有一些物质能够很容易地把电子转移给其他物质，这些物质被笼统地称为“是化学还原性的”科学家早就猜测还原性气体在地球生命起源过程中发挥了重要作用。20世纪20年代，俄罗斯生物化学家亚历山大·奥帕林（Alexander Oparin）和英国进化生物学家J·B·S·霍尔丹（J.B.S. Haldane）都认为，地球原始大气可能富含甲烷、氨和氢等还原性气体。他们认为，如果大气中这些气体浓度高，生命所需的化学成分就有可能自然形成。

几十年后，上述观点被1953年美国芝加哥大学化学家斯坦利·米勒（Stanley Miller）和哈罗德·尤里（Harold Urey）所做的著名实验所证实。当时，米勒和尤里把还原性气体混合在一起加热，并引入火花，结果得到了许多有机化合物（大多数含有碳和氢），包括氨基酸——地球上所有生命形式使用的蛋白质的基本组成部分。

然而，在米勒－尤里实验之后的许多年里，地质学家得出结论认为，早期的大气不像米勒和尤里认为的那样接近还原状态。这些科学家说，米勒－尤里实验中形成氨基酸和其他有机物的那些条件，可能从未在地球大气中出现过。

但是，失落城热液喷口的还原性气体非常丰富。有没有可能在数十亿年前，条件类似的喷口具备适当条件，从而形成了生命所需有机化合物？研究这个问题的一些地球化学家也持相同的观点。过去十年的许多研究表明，蛇纹岩化过程中发生的化学反应是二氧化碳形成有机物的理想条件。类似于失落城的热液系统可能是原始工厂，它们释放出甲烷、简单有机酸，也许还有更复杂的脂肪酸——这是所有生物细胞膜的基本组成部分。失落城喷口也许不需要生命体的协助，就能形成这些有机化合物。

失落城是测试这些想法的天然实验室。2008年，美国伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的化学家吉奥拉·普劳斯库洛温斯基（Giora Proskurowski）和他的同事在《科学》杂志上发表论文，证明失落城热液确实包含甲烷、乙烷和丙烷之类的小分子有机化合物。其他研究表明，失落城的化学反应也会产生甲酸（formate）和乙酸（acetate）之类的小分子有机酸。这些发现证实，失落城喷口的还原性环境可以支持无机化合物向有机化合物转化所必需的化学反应，这是前生命化学（prebiotic chemistry）简单但关键的一步。

这项新研究证明，一些热液喷口环境至少能产生简单的有机化合物，甚至生命成分。但是，失落城并非检验这些想法的完美环境，因为碳酸盐柱并不是无菌的化学反应器。事实上，它们充满了微生物，这就增加了微生物帮助喷口液体形成有机物的可能性。要解决这个难题，我们必须更深入地研究这些微生物本身。

无需太阳

许多微生物已经进化出了消耗氢中丰富能量的本领。产甲烷菌（Methanogen）就是其中一类。顾名思义，产甲烷菌能产生甲烷——也就是我们许多人用来取暖和做饭的天然气。事实证明，失落城多达1/3的微生物属于甲烷八叠球菌目（Methano-sarcinales）。鉴于喷口液体中氢那么丰富，存在这么多产甲烷菌也不足为奇。真正值得注意的是，失落城产甲烷菌的活动不需要太阳参与。

地球上几乎所有的生命都依赖太阳能，人类就依赖光合生物（即能够进行光合作用的植物和藻类）来获取食物。即使是在最黑暗海洋深处的黑烟囱，生命也离不开太阳。支撑巨型管虫生长的微生物，既需要硫化物又需要氧气。那些氧气最终来源于遥远上层海水里的光合生物。而失落城产甲烷菌生存需要的一切就只是二氧化碳、液态水和橄榄岩（peridotite），这些物质反应生成了产甲烷菌所需的原材料。

研究人员发现，蛇纹岩化的地球化学反应和产甲烷菌的生物活动都为失落城生态系统提供了甲烷。这样同时产生甲烷可能不是什么巧合。在过去几年的一系列研究中，德国杜塞尔多夫大学的生物化学家威廉·马丁（William Martin）和美国航空航天局帕萨迪纳喷气推进实验室的地质化学家迈克尔·罗素（Michael Russell）考察了在没有生物参与的情况下，类似失落城那样的环境中产生甲烷所需要的精确化学步骤。他们发现，每一步反应都是在复制产甲烷生物的生物途径（biological pathway）。根据这项研究，马丁和罗素认为，在早期地球上，类似失落城那样的环境以地球化学方式形成甲烷；原始生命形式可能只是自然地借用每一个化学步骤，从而形成了最早的生物途径。

马丁和罗素并不是最早提出生命可能起源于热液喷口的科学家。这种想法已经提出多年。热液系统的有利化学性质和从所有生命体遗传物质中发现的进化记录都支持这种观点。

核糖体是细胞用来把核酸（DNA和RNA）编码的信息翻译成蛋白质的生物反应器。有关核糖体的研究证明，上述观点特别具有启发性。核糖体本身由RNA和蛋白质构成。通过比较核糖体RNA的组成序列，即核苷酸，科学家建造了显示地球上所有生命相互关系的系统树（family tree）。居于树根附近分枝上的许多生物消耗氢气，它们要么生活在陆地高温温泉，要么生活在海底高温温泉。这表明地球上所有生命的共同祖先也可能生活在温泉，可能就生活在类似于失落城热液场那样的环境中。

地质学家有理由认为失落城那样的生态系统可能一度相当普遍。橄榄岩是太阳系最普遍的岩石类型。地球的上地幔（upper mantle）大都由这种岩石组成。如今，虽然在地球表面很少发现新形成的橄榄岩，但在30亿至40亿年前，橄榄岩十分丰富。那时，地球要热得多，大量火山活动把更多熔融的地幔运送到地球表面。事实上，早期地球的大部分海底岩石可能是橄榄岩。当时，橄榄岩和今天一样能与水发生反应。因此，类似于失落城的温暖碱性环境可能孕育了最早的生命形式。与此相反，类似于黑烟囱的炽热酸性条件可能过于严酷，没能促成生命出现。

失落城的研究成果还支持这样的推测：我们太阳系的其他星球可能存在生命，或者曾经存在过生命。可以推测，具有蛇纹岩化作用必需成分——橄榄岩和液态水的任何行星或卫星，都支持类似于失落城微生物那样的生命形式。最有力的证据表明火星和木卫二（Europa）上存在这些成分。事实上，研究人员已经在现代火星大气中探测到了甲烷。不过，这种甲烷来源于微生物还是火星岩石的化学反应，亦或二者兼有，依然是未解之谜（参见《环球科学》2007年第6期《甲烷：火星与泰坦的生命证据？》一文）。

甲烷溯源

作出上述判断可能比科学家想象的更难。生命树上的生物大多是微生物。虽然我们可以研究这些生物的DNA和RNA序列，但找到这些形状不明的微小生物的化石记录却很难。为此，过去几十年来，研究人员开发了一些技术，可以通过综合化学化石（chemical fossils）而非物理化石的地质记录来研究微生物进化史。化学化石是可以追溯生物体的分子，这些分子能以化石形式在岩石中保存数百万年，甚至数十亿年。大多数化学化石来自组成细胞膜的脂质。虽然脂质不像DNA或物理化石那样包含那么多信息，但它们是生命的可靠指示器，它们携带的结构特征还可以推断出产生它们的生物体。

此外，脂质的构成成分之一碳本身就含有丰富信息，因为它包含揭示生物怎样从环境中获取碳的标记物。标记物就是碳13，这种同位素比较罕见，不会随时间流逝而减少。大多数生物体含有的碳13要比溶解于水的二氧化碳中的碳13低1%~3.5%。因此，科学家认为，如果古代岩石中的碳13比例减少了这么多，碳就来源于生物体；如果碳13没有减少，就来自于非生物过程。

但是，失落城证明上述观点是错误的。我与美国麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所的科学家小组进行的研究表明，在失落城碳酸盐中发现的一些最丰富的脂质来源于产甲烷菌。然而，这些脂质根本没有显示任何碳13减少。相反，碳13含量会让人们误认为它们来源于非生物物质。

为什么会是这样？使用碳13作为生命标记是基于这样的假设：环境中可利用的二氧化碳多于生命能利用的二氧化碳。只要有多余二氧化碳，生物可以吸收它们更喜欢的较轻碳12分子，而不要较重的碳13分子。但是，如果二氧化碳稀缺，生物就会抓住每个有用的碳分子，而不管它是轻是重。如果真发生这种情况，生物碳13相对丰度与环境相比就不会有什么不同，也就看不到生命的化学标记。

实际上，这正是失落城喷口所发生的情况。不同于地球其他的环境（那里二氧化碳总是够用），失落城里氢气占优势，二氧化碳稀少，实际上迫使那里的生物不加区分地摄取碳同位素。

甲烷也会发生这种看不见的现象。与地球化学反应相比，通常生物体产生的甲烷中碳13极少。但在蛇纹岩化系统中，这种差异并非总会出现。失落城喷口水中的甲烷没有标志性的碳13缺失。研究人员根据观察知道，此处的甲烷是地质产物和生物产物的混合体。但是，仅凭碳同位素本身无法区分出两者的不同。

如果我们太阳系其他地方有生命进化的话，它们最有可能是产甲烷菌微生物，生活在正在发生蛇纹岩化作用的环境中。我们知道，火星上由于不明原因正在产生甲烷。美国航空航天局计划于2011年发射火星科学实验室（Mars Science Laboratory），它的一项任务就是确定火星甲烷碳同位素的比值。如果碳13 明显减少，就暗示这颗红色行星上存在生物。

然而，失落城表明，发现不了碳同位素比值信号根本不能视为没有生命的证据。事实上，在从前未知的生态系统中发现繁荣兴盛的微生物，这让我们更有理由期待，有朝一日科学家会在地球以外找到生命的迹象。