生命起源于嚴(yán)酷的深海嗎

楊冬

2023年6月18日，美國海洋之門探險公司組織了一次商業(yè)海底觀光活動。三名付費乘客乘坐一艘名為泰坦號的深潛器，下潛到豪華游輪泰坦尼克號沉沒的位置附近，從而近距離觀看海底泰坦尼克號的殘骸。然而，不幸的是，泰坦號潛入約3900米的海洋深處時，突然與海面失去了聯(lián)系。后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泰坦號沒能承受住海底巨大的壓力，發(fā)生了內(nèi)爆，化為了一堆碎片，所有乘員均不幸遇難。

泰坦號的悲劇提醒我們，深海是嚴(yán)酷的。那里水壓巨大，黑暗陰冷，不僅人類無法生存，而且大部分地球上的生物無法適應(yīng)深海環(huán)境。除了環(huán)境惡劣外，深海還是一個缺乏能量和資源的地方。由于陽光無法穿透幾百米深的海水，所以光合作用基本上局限在不超過200米的深度范圍之內(nèi)。對于地球上大部分生物而言，其能量的終極來源是光合作用。因此，深海中的生物基本上都需要依靠海面附近的“產(chǎn)出物”維持生存。有些在深海中生存的動物可以上浮到淺海覓食，而更多的局限于深海或者海底的動物只能等待從上層沉降下來的“海洋雪”—海面生物的尸骸或者糞便形成的聚合物。“海洋雪”是海底生物主要的有機質(zhì)的來源。如果一頭鯨的尸體沉入海底，對附近的深海動物而言不啻于一場幾十年未見的盛宴，可謂“一鯨落，萬物生”。

深海中的生命綠洲

在人們的印象中，深海是一個貧瘠的世界，雖然那里也有不少海洋生物，但它們只是依靠海面的“施舍”勉強活著而已。然而，事實并非如此，深海中的生命也有屬于自己的生命綠洲—熱泉。

熱泉主要位于某些地質(zhì)活動活躍的洋底區(qū)域（如洋中脊）。在這里，通過裂隙滲入大洋地殼的海水被加熱后，會與洋殼內(nèi)的巖石發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生富含硫化物和各種礦物質(zhì)的熱液。隨著壓力的變化，這些熱液又會回到海底，形成熱泉。這些熱泉往往可以支持一個獨立于海面的生態(tài)系統(tǒng)。對于大洋底部貧瘠的“荒漠”而言，熱泉周圍的區(qū)域就是“荒漠中的綠洲”。20世紀(jì)70年代，阿爾文號深潛器多次深入數(shù)千米以下的太平洋海底進(jìn)行探索。1977年，阿爾文號又一次潛入深海，科學(xué)家們通過深潛器發(fā)現(xiàn)，在暗無天日的海底，魚類、貝類、蝦、蟹、章魚等多種動物生活在深海熱泉附近，形成了一個生機勃勃的深海生態(tài)系統(tǒng)。

海洋深處幾乎完全沒有陽光，“荒漠中的綠洲”要怎樣維持生機呢？科學(xué)家在熱泉周圍發(fā)現(xiàn)了一種奇特的生物—巨型管蟲，它的生存之道也許可以給我們帶來答案。從外觀看，巨型管蟲就像一條頂端為紅色、長好幾米的管子，它沒有消化道，也沒有嘴和肛門。那么，巨型管蟲如何進(jìn)食？它真的是動物嗎？經(jīng)過研究，科學(xué)家確認(rèn)巨型管蟲是一種動物，從動物分類學(xué)上看，它屬于環(huán)節(jié)動物門，和陸地上的蚯蚓屬于一個門。然而，和其他同門動物不同，它用于維持生存的營養(yǎng)物質(zhì)并非來自植物或其他動物。巨型管蟲過著一種自給自足的“田園”生活。科學(xué)家通過解剖從海底撈取的巨型管蟲樣本發(fā)現(xiàn)，占據(jù)其身體很大一部分的是一個叫作“營養(yǎng)體”的器官。在這個器官里，生活著大量的細(xì)菌，同時積聚著大量的單質(zhì)硫。

“營養(yǎng)體”里究竟發(fā)生了什么事呢？原來，巨型管蟲與細(xì)菌在這里建立了一種合作關(guān)系。巨型管蟲為細(xì)菌提供氧氣、硫化氫、二氧化碳等關(guān)鍵物質(zhì)；細(xì)菌則通過將硫化氫氧化成單質(zhì)硫的過程獲得能量，還能通過還原二氧化碳合成各種有機物，回饋巨型管蟲，這一過程被稱為化能合成作用。熱泉的關(guān)鍵貢獻(xiàn)就是為巨型管蟲提供硫化氫。與光合作用不同，這里用于合成有機物的能量并不是太陽光，而是來自氧氣與硫化氫的化學(xué)反應(yīng)。不過，發(fā)生在巨型管蟲體內(nèi)的化能合成作用，并未完全獨立于太陽，因為它們在合成過程中需要利用氧氣，而氧氣仍然是光合作用的產(chǎn)物。然而，很多微生物進(jìn)行化能合成反應(yīng)時不需要氧氣，因此是完全獨立于陽光的反應(yīng)過程。

除了巨型管蟲，深海熱泉周圍還有大量不同種類的生物，它們都直接或者間接依賴化能合成作用維持生存。例如，各種細(xì)菌或獨立生活在熱泉附近，或與某種動物形成共生關(guān)系。其他深海動物無論是否與細(xì)菌共生，最終都得依靠細(xì)菌合成的有機物維持生命。除了巨型管蟲，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種同樣可以與細(xì)菌共生的巨型貝類。那些無法與細(xì)菌共生的動物則可以直接以細(xì)菌為食。在這個生態(tài)系統(tǒng)中，具有化能合成能力的細(xì)菌是整個系統(tǒng)的基石。

生物有兩種生存模式：自養(yǎng)和異養(yǎng)。自養(yǎng)生物是指那些能夠?qū)h(huán)境中簡單的含碳分子，如二氧化碳和甲烷，轉(zhuǎn)化為復(fù)雜有機物的生物。這個過程是一個耗能的過程，所以根據(jù)能量的來源，可以進(jìn)一步劃分成光能自養(yǎng)（依靠光合作用）和化能自養(yǎng)（依靠化能合成作用）的生物。綠色植物和某些可以進(jìn)行光合作用的細(xì)菌（如藍(lán)細(xì)菌）就是光能自養(yǎng)生物，而在海底熱泉附近生存的細(xì)菌則屬于化能自養(yǎng)生物。無法合成復(fù)雜有機物的生物則屬于異養(yǎng)生物。顯然，異養(yǎng)生物必須依靠自養(yǎng)生物才能生存，動物和人類都屬于異養(yǎng)生物。海底熱泉附近的巨型管蟲也是異養(yǎng)生物，其所需的有機物來自于和它共生的細(xì)菌。

生命最初的樣子

為了探尋生命的起源，讓我們先回顧一下地球早期歷史。目前，天文學(xué)研究表明，簡單的有機分子（如甲烷）在宇宙中是廣泛存在的，所以可以認(rèn)為在原始地球上也已經(jīng)積累了大量的此類物質(zhì)。另外，那時候的地球大氣中應(yīng)該含有豐富的二氧化碳，但是不包含氧氣。考慮到光合作用的復(fù)雜性，可以猜測，最初的生命很可能是利用化能自養(yǎng)模式生存的。也就是說，早期生命很可能具備利用二氧化碳或者甲烷合成各種復(fù)雜有機分子的能力。

那么，這里涉及一個重要問題—地點，即生命究竟是在哪里誕生的。雖然，我們聽說過“生命起源于海洋”的說法，但是原始生命并不太可能起源于廣闊大洋的淺層海水之中。因為巨量的流動的海水會迅速稀釋各種分子，導(dǎo)致任何化學(xué)反應(yīng)都難以發(fā)生。所以，早期生命必然起源于某些可以提供高濃度營養(yǎng)物質(zhì)的地方。海底的熱泉就是一個上佳候選地點。就像今天的海底熱泉可以支持以化能合成作用為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)，在億萬年前的地球上，此類生態(tài)系統(tǒng)也可能形成于海底各處，支持了最初的單細(xì)胞生物的生存。在生物進(jìn)化出光合作用之前，地球上的生命可能都被局限在海底的熱泉周圍。

海底熱泉不僅可能是早期生命的搖籃，也可能是地球上幾次“雪球地球”事件中生命的避難所。研究表明，地球很可能在20多億年前和5億多年前發(fā)生過兩次“雪球地球”事件，即冰川覆蓋了全部地球表面。在這種情況下，地表很難有生物生存，導(dǎo)致光合作用非常稀缺，有可能地球上的大部分生物只能依靠海底熱泉生存，直到地球二氧化碳濃度上升導(dǎo)致的溫室效應(yīng)使冰川融化為止。

當(dāng)然，“雪球地球”是否發(fā)生過目前還有爭議。但是，在我們的太陽系中，確實存在某些星球，其完全被冰層覆蓋的地表下隱藏著海洋。最有名的是木星的衛(wèi)星歐羅巴，又名木衛(wèi)二。由于它與木星距離很近，木星引力導(dǎo)致的潮汐作用使其地殼摩擦擠壓產(chǎn)生的熱量可以融化深層的冰。所以，在其表面冰層下，歐羅巴擁有一個深達(dá)數(shù)萬米的大洋。既然潮汐作用可以產(chǎn)生熱量，那么在其海底是否也存在熱泉呢？如果有熱泉，在歐羅巴的海底是否可能有生命呢？這個問題我們目前無從回答，但是國際天文學(xué)界對歐羅巴的關(guān)注日益增加，很多國家已經(jīng)計劃發(fā)射探測器去那里一探究竟。

要直接探索數(shù)千米冰層下的外星海洋是非常困難的。一個比較可行的方法是探測偶然從冰層裂縫中噴射出來的噴流，并分析其化學(xué)成分。這方面的研究目前已經(jīng)啟動，其中進(jìn)展最快的是土星的衛(wèi)星—土衛(wèi)二。與歐羅巴相似，它也擁有被數(shù)千米冰層覆蓋的海洋。科學(xué)家對其噴流進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二的海水中含有磷。由于磷是構(gòu)成生命的重要元素，這一發(fā)現(xiàn)顯然增加了土衛(wèi)二上存在生命的可能性。

今天，深海熱泉是大洋深處的生命綠洲；億萬年前，那里可能是地球早期生命的發(fā)源地；未來，科學(xué)家也許會在外星球的深海熱泉周圍發(fā)現(xiàn)生命的跡象。不過，生命真的起源于嚴(yán)酷的深海嗎？現(xiàn)在，科學(xué)家還沒有確定的答案。因為人類對深海的探索才剛剛開始，更精彩、更奇妙的發(fā)現(xiàn)還在探索之路的下一站等著我們。

【責(zé)任編輯】張小萌