南極冰下淡水湖的奧秘

科學家通過對極地的實地研究和考察曾斷定，在廣袤的南極冰蓋下藏匿著星羅棋布的湖泊。2012年2月8日，俄羅斯研究人員宣布，俄羅斯南極內陸考察站——東方站的考察隊員經過多年努力，鉆透南極冰層，觸及到冰層下存在的大約有2000萬年歷史的巨大淡水湖。

最大的冰下淡水湖

從發現到觸及南極冰下最大的淡水湖，俄羅斯研究人員用了近20年。早在1994年在羅馬召開的第23屆國際南極研究科學委員會(SCAR)會議上，俄羅斯研究人員就宣布，在俄羅斯南極內陸考察站——東方站的冰蓋之下發現了一個巨大的湖泊，俄羅斯科學家將其命名為東方湖。

隨著探索的進展，2012年2月5日，俄國研究人員在南極極點以東大約1300公里、冰面以下3769米的地方觸及到了東方湖。經過測量，該湖長250公里，湖面最寬處50公里，湖的面積約為1.5萬平方公里，與著名的北美安大略湖相當。東方湖平均水深125米，湖泊兩端底床低于海平面700米，東方湖的蓄水量約1800立方千米。由于深藏于冰層下面，東方湖的環境有多種特征，一是高壓（大約350個大氣壓），二是低溫（大約零下30攝氏度），三是低營養物輸入，四是湖里永久黑暗。

然而，東方湖并非南極冰層下唯一的湖泊。在過去10多年，研究人員已在南極冰蓋下發現了約145個大大小小的冰下湖泊，只不過東方湖是迄今發現的最大冰下淡水湖而已。為何在冰層之下還有未結冰的湖泊呢？原因是，湖面上極厚的冰蓋像一條厚厚的毯子，能保存地熱能，使得東方湖不會結冰。

南極冰下最大淡水湖的發現刺激了科學家進一步探索的欲望。由于南極冰下淡水湖是由冰凍圈-水圈-生物圈-巖石圈組成的低溫、高壓、低營養輸入和黑暗的封閉系統，因此需要探索在這種封閉環境中是否有微生物，如果有，它們是如何獲取能量的？是如何進行種群的繁衍并生存下來的？對冰下淡水湖的生命探索是否可以為揭開生命之謎提供線索？另外，對冰下湖泊的探索是否可以獲得全球變暖還是變冷的確切證據？同時，冰下湖是否聚積著大量甲烷，如果鉆探深入下去，是否會造成甲烷的大量釋放，從而加劇全球變暖？

從生命起源談起

對南極冰下淡水湖的探索首先會有助于解開生命之謎，尤其是地球上的生命起源之謎。這要從科學家一直在探索的生命起源之謎談起。在生命演化領域，有一個很有影響力的理論，即生命形成于地球海洋形成之初的“生命濃湯”（又稱為“熱湯”，因為當時的海洋是溫熱的，而且富含多種有機物）。

從理論上分析，生命起源大致經歷了三部曲。第一步是從無機小分子物質形成有機小分子物質。如地球大氣中的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氫、氨、磷酸等在自然能量（如閃電、紫外線、宇宙線、火山噴發）的驅動下，合成出氨基酸、糖、腺甙、核苷酸等小分子有機化合物。第二步是從小分子有機物質生成生物大分子物質，如從氨基酸、核苷酸這類小分子有機物質形成原始的蛋白質分子、多糖和核酸分子。第三步是，由生物大分子物質組成多分子體系，從而形成單細胞和多細胞生命。

由于海洋占地球表面積的71％，海水能調節氣候，又能溶解許多化學物質，因而海洋中蘊藏了“生命濃湯”。這個過程可以描述為：首先是，盡管許多無機物和簡單的有機物可以產生于大氣當中及陸地的池塘里，但由于雨水沖刷，各種化合物最終匯集到海洋，因此海洋形成了“生命濃湯”。而且，盡管紫外線可以促使海洋表面的有機物被分解，但由于紫外線的穿透力弱，海洋表面以下的有機物有條件進一步進化，由簡單的有機物發展出各種生物小分子，如氨基酸、糖類、有機堿基、嘌呤、嘧啶，然后，這些生物小分子發展成多種生物大分子，如蛋白質、核酸、脂質等。最后，有一定復雜結構的生物大分子逐漸完善，形成了原始生命——原核細胞。

生命起源于海洋“生命濃湯”的假說通過后來的一系列科學實驗得到了某些證明。最著名的實驗是1953年美國芝加哥大學的史坦利·米勒和哈羅德·尤列的研究小組完成的，他們的實驗結果體現在《在可能的早期地球環境下之氨基酸生成》的論文中。米勒與尤列等人將水、甲烷、氨、氫氣與一氧化碳密封于無菌狀態下的玻璃管和燒瓶內，并將玻璃管和燒瓶連接形成一個回路。一個燒瓶裝了半瓶水，另一燒瓶則含有一對電極。首先加熱水產生水蒸氣，另一燒瓶的電極通電后會產生火花，以模擬自然能源——閃電。水蒸氣經過電極之后，又再度凝結并重返原先裝水的燒瓶中，由此讓實驗循環往復。

實驗一周后，米勒與尤列等人發現，約10%~15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%是氨基酸，以甘胺酸居多。同時，實驗也產生了可構成生命內核——核酸的原料，如糖類、脂質和其他一些物質，但是并未出現生命的本質形式，如脫氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）。

盡管米勒與尤列等人的實驗部分驗證了生命起源的假說，但還是有很多地方并不令人信服，比如，實驗并未直接產生DNA或RNA。因此，后來許多研究人員再次實驗進行進一步的探索。其中，2008年一些研究人員的研究獲得了更多成果。這些研究人員借助高效液相色譜和質譜技術，重新進行米勒-尤列實驗并分析了米勒-尤列實驗留下的實驗瓶樣品，發現這一實驗產生的有機化合物比原先報道的還要多。

其中，模擬火山爆發激活“生命濃湯”的實驗產生了更多的有機物或前生命物質。加熱水后，水蒸氣推動著氣體進入一個經過改造的燒瓶中，同時燒瓶中加入抽氣裝置，使氣體流動的速度加快。在電火花的作用下，水分子裂變生成羥基自由基，同時其他分子也參與反應，從而生成了22種氨基酸，5種胺，以及很多羥基化的化合物。最重要的是，氧硫化碳可以幫助這些氨基酸縮合形成多肽。多肽也就是蛋白質，即生命的本質。

然而，按照今天分子生物學對生命的解釋，生命的核心——蛋白質是由DNA編碼，RNA轉錄后通過核糖體表達出來的。其中，最重要的是蛋白質的氨基酸序列的堿基對編碼和形成。而米勒與尤列的實驗及其后來的實驗并不能揭示多肽蛋白質上的堿基對序列是如何編碼產生的，因為只有具有確定的氨基酸序列的蛋白質才產生生物功能，這也是當前鑒定蛋白質的最主要方法。

幫助認識生命起源和生命生存

盡管生命起源于“生命濃湯”的假說在科學界和一般公眾中有很大的影響，但迄今包括這一學說在內的各種生命起源的學說還沒有哪一種得到充分驗證，因而也不可能得到研究人員和公眾較為一致的認同。

而且，對非洲、加拿大、澳大利亞等地地質材料的研究發現，最早的細菌之類的原核細胞大致出現在34億年前，而藍藻大約在31億年前的時候出現。這表明地球上的化學進化經歷了數億年以上的時間（地球形成于40億年前），才出現了原始生物——原核細胞。在此之前，可能還有更原始的非細胞或前細胞形態的生物，因為原核細胞已具有相當復雜的結構和功能。

俄羅斯南北極研究所所長盧金猜測，如果東方湖存在依靠在極暗條件下化學反應而存活的微生物，這或許與數百萬年或數千萬年前的海底生物類似，但它們是否遵循不同的進化規律演化，眼下還不知道。而東方湖可能把一些有機生命形態封存了約2000萬年，這或許能為解開地球生命起源和在太陽系探索其他生命形態提供線索。

因為，如果在寒冷、高壓、低營養物輸入和黑暗的冰下湖中存在生命，那它們可能會不同于“生命濃湯”說的進化之路。當然，即便是南極冰蓋下淡水湖中的生命也是在海洋初期的生命濃湯中形成的，因為那時地球上可能還不具有北極和南極的極寒氣候，但后來這些生命在極寒的南極中生存下來也提供了一種研究生命進化的極好環境和機會。

例如，在南極冰雪中和冰下淡水湖中可能存在的主要是菌類微生物，而且處于休眠狀態，但可能仍具有生物活性或本來就存活著。研究這些細菌的種類和群落結構的多樣性，可能獲得生命起源的多樣性，并揭示不同地質條件下地球生物的演化規律。同時對其生存機理和特殊功能基因等的研究，還具有一定的應用和開發潛力，比如，可以指導人類在極端嚴寒環境下如何生存和抗凍。

幫助認識氣候變化和其他問題

南極冰下東方湖的發現同樣有助于探索和認清今天的氣候成因以及氣候變化的歷史規律。無論是地球本身的自然因素引起的氣候變化，還是工業化以來人類活動為主要原因導致的氣候變化，都可以從南極、北極和其他冰川中的冰芯中獲得真實的信息和線索。

現在，全球變暖以及全球變暖主要是人類活動造成的已成為主流科學界的共識，但是，也有科學家表示反對，認為證據不足。要解決這種爭論并獲得氣候變化的真相，需要從極地的冰芯中尋找答案，這也成為科學界的共識。因為，盡管記錄歷史，包括自然界的種種變化有文獻記錄、樹木年輪、湖泊沉積、珊瑚沉積、黃土、深海巖芯、孢粉、古土壤和沉積巖等材料，但相比而言，還是冰芯所記錄的信息真實可靠。因為冰芯處于低溫環境，有保真性好、分辨率高、記錄的時間長（數十萬和上百萬年）和信息量大的特點。

冰芯中各種物質的含量和比值等都忠實地記載了地球系統變化過程的信息，包括氣候變化的信息。例如，冰芯中氫、氧同位素比率是度量氣溫高低的指標；冰芯中氫、氧同位素凈積累速率可以揭示歷史上降水量的大小；冰芯氣泡中的氣體成分和含量能指出大氣成分的演化歷史；冰芯中一些物質的同位素可以提供宇宙射線強度變化、太陽活動和地磁場強度變化的證據；冰芯中微粒含量和各種化學物質成分的分析結果，可以提供不同時期大氣氣溶膠、沙漠演化、植被演替、生物活動、大氣環流強度、火山活動等的信息。當然，冰芯也記錄了人類活動對氣候環境影響的各種信息。

對俄羅斯的東方站冰蓋下提取的冰芯氣泡的分析獲得了過去42萬年以來的大氣中溫室氣體含量的變化。在過去的42萬年以來，大氣中溫室氣體二氧化碳的含量基本在180~280微克波動，甲烷含量在350~800ppb（十億分之一）波動。而工業革命以來，大氣中二氧化碳和甲烷含量迅速增加，目前分別達到近385微克和1800ppb，是83萬年以來的最大值。這提示，從工業革命后200年來人類活動對全球氣溫的升高有重要影響。

但是，僅僅從冰芯中獲得溫室氣體含量在200年中突然增加的數值并不能完全說明問題，因為，還必須了解在更長時間內冰芯中溫室氣體含量的變化規律才有助于人類找到應對氣候變化的措施。現在，對南極冰芯的研究也得出了這方面的結論。例如，歐洲南極冰芯計劃（EPICA）的冰穹 C冰芯記錄揭示了8個冰期-間冰期氣候旋回，證實在冰期-間冰期氣候旋回內，大氣溫室氣體濃度與氣溫之間存在穩定的正相關關系。而通過俄羅斯的東方站冰蓋中提取的冰芯發現了4個完整的冰期-間冰期氣候循環。該地區冰期-間冰期的氣溫變化幅度達12攝氏度左右，并表現出明顯的地球軌道效應，即具有明顯的10萬年、4萬年和2.3～1.9萬年的周期。這就從更長遠的歷史范圍內得出大氣溫室氣體增多與地球溫度升高有相關關系的結論。

現在，已經有俄羅斯、日本、英國、澳大利亞、中國、阿根廷等10多個國家，在南極冰蓋上鉆出了180多個不同深度的孔，取得了一系列冰芯樣品。南極冰蓋平均厚度為2400米。中國的昆侖站位于南極內陸冰蓋最高點冰穹A地區，海拔4087米，冰厚3000多米，是國際公認的南極冰蓋理想的深冰芯鉆取地點。現在，俄羅斯研究人員在冰蓋之下3769米深處觸及到了東方湖，就不僅可以通過冰芯來獲得更多的材料，而且可以直達冰下淡水湖中獲得更多物質，包括有機物、無機物和原始生命，由此可以對生命、氣候變化以及物質材料等進行更深入的研究。

現在，尋找120萬年以上古老冰芯是當前南極科學研究的熱點領域之一。目前鉆取到的最古老深冰芯記錄著距今80萬年前的氣候信息，可推測地球氣候系統存在10萬年周期的冰期旋回。從海洋沉積物的分析表明，全球氣候的主導周期在中更新世時由4.1萬年轉變為10萬年。不過，這需要從冰芯中找到證據，才能確認，所以需要科學家尋找到更多的冰芯。無論是俄羅斯鉆透3769米冰蓋并觸及到下面的淡水湖，還是其他國家鉆取南極冰蓋的探索，都有可能找到新的材料和證據，以證明全球變暖的周期性規律，以及弄清大氣中的溫室氣體是如何產生的。

【責任編輯】張田勘