生命起源于嚴酷的深海嗎

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系。后續調查發現，泰坦號沒能承受住海底巨大的壓力，發生了內爆，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深海環境。除了環境惡劣外，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。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活動活躍的洋底區域（如洋中脊）。在這里，通過裂隙滲入大洋地殼的海水被加熱后，會與洋殼內的巖石發生反應，產生富含硫化物和各種礦物質的熱液。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系統。對于大洋底部貧瘠的“荒漠”而言，熱泉周圍的區域就是“荒漠中的綠洲”。20世紀70年代，阿爾文號深潛器多次深入數千米以下的太平洋海底進行探索。1977年，阿爾文號又一次潛入深海，科學家們通過深潛器發現，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系統。

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？科學家在熱泉周圍發現了一種奇特的生物—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，巨型管蟲如何進食？它真的是動物嗎？經過研究，科學家確認巨型管蟲是一種動物，從動物分類學上看，它屬于環節動物門，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物質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。科學家通過解剖從海底撈取的巨型管蟲樣本發現，占據其身體很大一部分的是一個叫作“營養體”的器官。在這個器官里，生活著大量的細菌，同時積聚著大量的單質硫。

“營養體”里究竟發生了什么事呢？原來，巨型管蟲與細菌在這里建立了一種合作關系。巨型管蟲為細菌提供氧氣、硫化氫、二氧化碳等關鍵物質；細菌則通過將硫化氫氧化成單質硫的過程獲得能量，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。熱泉的關鍵貢獻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反應。不過，發生在巨型管蟲體內的化能合成作用，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物。然而，很多微生物進行化能合成反應時不需要氧氣，因此是完全獨立于陽光的反應過程。

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，各種細菌或獨立生活在熱泉附近，或與某種動物形成共生關系。其他深海動物無論是否與細菌共生，最終都得依靠細菌合成的有機物維持生命。除了巨型管蟲，研究人員還發現了一種同樣可以與細菌共生的巨型貝類。那些無法與細菌共生的動物則可以直接以細菌為食。在這個生態系統中，具有化能合成能力的細菌是整個系統的基石。

生物有兩種生存模式：自養和異養。自養生物是指那些能夠將環境中簡單的含碳分子，如二氧化碳和甲烷，轉化為復雜有機物的生物。這個過程是一個耗能的過程，所以根據能量的來源，可以進一步劃分成光能自養（依靠光合作用）和化能自養（依靠化能合成作用）的生物。綠色植物和某些可以進行光合作用的細菌（如藍細菌）就是光能自養生物，而在海底熱泉附近生存的細菌則屬于化能自養生物。無法合成復雜有機物的生物則屬于異養生物。顯然，異養生物必須依靠自養生物才能生存，動物和人類都屬于異養生物。海底熱泉附近的巨型管蟲也是異養生物，其所需的有機物來自于和它共生的細菌。

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，所以可以認為在原始地球上也已經積累了大量的此類物質。另外，那時候的地球大氣中應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雜性，可以猜測，最初的生命很可能是利用化能自養模式生存的。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，導致任何化學反應都難以發生。所以，早期生命必然起源于某些可以提供高濃度營養物質的地方。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的生態系統，在億萬年前的地球上，此類生態系統也可能形成于海底各處，支持了最初的單細胞生物的生存。在生物進化出光合作用之前，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致的溫室效應使冰川融化為止。

當然，“雪球地球”是否發生過目前還有爭議。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星歐羅巴，又名木衛二。由于它與木星距離很近，木星引力導致的潮汐作用使其地殼摩擦擠壓產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數萬米的大洋。既然潮汐作用可以產生熱量，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，但是國際天文學界對歐羅巴的關注日益增加，很多國家已經計劃發射探測器去那里一探究竟。

要直接探索數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，并分析其化學成分。這方面的研究目前已經啟動，其中進展最快的是土星的衛星—土衛二。與歐羅巴相似，它也擁有被數千米冰層覆蓋的海洋。科學家對其噴流進行研究后發現，土衛二的海水中含有磷。由于磷是構成生命的重要元素，這一發現顯然增加了土衛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源地；未來，科學家也許會在外星球的深海熱泉周圍發現生命的跡象。不過，生命真的起源于嚴酷的深海嗎？現在，科學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、更奇妙的發現還在探索之路的下一站等著我們。

【責任編輯】張小萌