挑戰生命的極限

孫萬儒

廣袤的海面占據地球面積的70.8%，地球名副其實是“水球”。我們對于海洋孕育的生物所知極為有限，深海生物對于我們來說，更是謎一般的存在。

向海洋深處進發

這里海水深達數千米，甚至萬米，海水壓力隨著水深每增加10米約增加1個標準大氣壓，在1萬米的深淵，壓力相當于1000個標準大氣壓；海水吸收陽光，海深200米以下幾乎沒有陽光；除個別海域水溫較高外，深海水溫平均為1～3℃，最低可達-1.8℃；海水中含有各種無機鹽，鹽度較高，在35‰左右，雖然各大洋因所處地理位置不同有所變化，但變化不大；海水的含氧量隨深度加深而減少，通常500～1000米水深處含氧量最低，其上下水層含氧量均較高；海底的沉積物多為軟泥和黏土，含有少量的有機物。在這樣的極端環境中會有什么生物能夠生存繁衍，是人們關心的問題。直到19世紀初，人們才開始關注深海生物的研究，但因研究條件所限，難以深入海洋深處，易誤以為550米以下是無生命區，因此，相關研究進展緩慢。19世紀70年代，英國挑戰者號獲得了首批深海生物樣品，證實深海存在生物。此后，歐美一些國家相繼開展深海生物調查，20世紀60年代以來，隨著深海科考技術和設備不斷改進，如應用新的深潛器，人們可以到達10911米深海，采用水下電視攝像機、水中立體照相機、機械手對深海生物調查研究，包括深海環境以及深海生物的種群生態、生理、生化和適應機制等的研究不斷取得進展。我國雖然在這方面開展研究較晚，但自行設計的蛟龍號深潛器已對7000多米的海洋深處進行科考，取得了大量的深海生物樣品，推動了我國的相關研究。

極熱環境下的頑強生命

1977年，美國伍茲霍爾海洋生物學實驗室的阿爾文深潛器在太平洋加拉帕戈斯群島東北300千米、水深2550米處的斷裂帶發現，在海底存在一些火山口，大量含有硫化物的液體從裂縫中噴出，形成濃密的黑色煙霧，人們稱之為“黑煙囪”， 又稱為海底熱液口。雖然一個熱液口區面積只有幾百平方米，但卻生存著密集的生物群落，它們是完全不依賴于光合作用而獨立生存的生命體系，由微生物開始，包括嗜熱的古菌、細菌，如硫酸還原菌、產甲烷菌。它們都是耐壓、嚴格厭氧的異養菌，密度高達108～109個/毫升。還有大型生物，如長管蟲、蠕蟲、蛤類、貽貝類，還有蟹類、水母、藤壺等，共同組成了“黑暗食物鏈”。讓生物學家驚訝的是這里的靜水壓超過1000個標準大氣壓，而生物量是附近深海環境中生物量的數萬倍，這樣的環境如何孕育出如此豐富的生物群落！

丹麥微生物生態學家羅尼·格魯德和他領導的南丹麥大學研究團隊在世界最大海溝——位于太平洋的馬里亞納海溝深約11000米的海底，發現生活在這里的微生物呈現出一派生機盎然的景象。在帶回來的海底泥土樣本中發現，每立方厘米平均含有1000萬個微生物，這一數量是位于該海溝頂部高原收集到的泥土中微生物數量的10倍多。

而在黑煙囪口附近的海水溫度高達350℃，周圍的海水溫度也在百十攝氏度以上，黑煙囪附近到處是火山噴發出的硫黃和硫化物。斯坦福大學科學家在這里發現一株古菌，最適合的生長溫度為100℃，80℃以下即失活；德國科學家斯泰德在海底發現一族古菌，這種古菌能生活在110℃以上高溫中，最適生長溫度為98℃，溫度降至84℃即停止生長；2004年，馬薩諸塞州大學教授德瑞克·萊烏利從黑煙囪口分離一株菌，將其放入121℃的高壓滅菌鍋中，加熱24個小時，不僅沒有被殺死，細胞數目還增加了一倍。科學家還從深海2000～4000米處的黑煙囪體中分離出100多株能在130℃、600個標準大氣壓的環境下生長繁殖的超嗜熱古菌，對它們的基因組測序后發現，它們可能起源于30億年前。

生命的“熱起源”假說

深海熱液環境與地球早期環境類似，缺氧、存在各種還原性氣體、高溫，并保持著化學及溫度梯度。對從中發現的它們超高溫超高壓微生物進行基因組測序，發現它們多處于進化樹的根部，它們保存了地球上最古老的生物信息。因此這些極端微生物成為研究陸地生命起源的一個窗口。系統研究現代深海微生物基因組所蘊藏的信息，結合環境模擬來追溯形成基因組內源結構所必須的外在理化條件，與已有的地質記錄相對比印證，可以為生命起源甚至早期地球環境演化的研究帶來新的機遇，也可能為地球以外一些生命形式的存在提供參考。

近年來，生命的“熱起源”假說成為生命起源的主流，但對此假說也有質疑，嗜熱物種究竟是生命的祖先，還是在極端環境的壓力下選擇進化的結果？對極端嗜熱微生物的研究將有助于對生命“熱起源”假說的進一步認識。更有意義的發現是，古菌遺傳信息傳遞方式與真核生物的極其相似，因而古菌很可能成為了解真核生物，甚至我們人類的遺傳信息傳遞系統的有效模型。對它的研究，也有助于了解地球生命的限制條件，同時為研究其他星球的生命提供重要線索。

挑戰寒冷極限

海洋深處既有高壓熱環境也有冷環境，熱環境大部分是在海底火山口。而冷環境則是深海中，隨著海洋深度的增加，水溫不斷降低。特別是在南北極存在大量冰山，科學家從南極東方湖3593米處冰芯分離得到42萬年前的活細菌。美國路易斯安那州立大學布蘭特·克里斯特納和他的同事們采用了不沾染微生物的鉆孔和取樣技術，從南極冰原下的惠蘭斯湖大約800米深處取樣，證明在黑暗寒冷環境中，存在多樣的生態系統。這些微生物中，有許多似乎從融冰和冰層下的巖石及沉積物中獲得營養源。俄羅斯南極科學考察站的科學家也從3500米的冰層中取得冰芯，在嚴格的無菌條件下分離，發現了細菌、酵母、真菌和藻類，證明在低溫環境存在嗜冷的微生物。

不論是熱環境還是冷環境都生活著很多遠古微生物。目前世界上已知的深海微生物有百萬種以上，但是科學家現在真正能夠有條件研究的也就只有萬分之一。隨著研究的深入，科學界對極端微生物的研究興趣越來越濃厚。短短40年間，對極端微生物多樣性的研究取得了很大進展。僅超嗜熱菌就從1972年的兩個種增加到目前的80多個種，其他各類極端微生物的種也有200多個。隨著研究的深入和新研究方法的采用，微生物生存的環境條件極限也將不斷地被改寫。