湖泊藏著多少地球秘密

皮內爾湖：保存沉睡億年的古菌

皮內爾湖位于美國路易斯安那州杰佛森島，曾是鯰魚等多種淡水魚類的棲身之所，垂釣是當地居民最愜意的休閑方式之一。皮內爾湖水質優良，吸引了不少水上運動愛好者前來。然而，一次嚴重的工程操作失誤，卻改變了這一切。

皮內爾湖及其附近蘊藏著大量鹽礦，采鹽業成為當地最重要的收入來源。在鹽和沉積巖之間長期存在的應力作用下，地下鹽礦不斷地形成一座座鹽丘。它們穿透地層，形成斷層和褶皺。在鹽丘底部，常常伴有石油。1980年11月21日一大早，勘測石油的德士古公司的7名工程技術人員在皮內爾湖中架起鉆機。因錯誤估算了開鉆位置，鉆頭意外穿透了湖底鹽礦第3層的頂部。霎時間，大量湖水涌入湖底的鹽礦，湖面上形成了一個巨大的旋渦。工程技術人員原本打算挽救鉆井平臺，但發現它已經開始傾斜，只好選擇逃生。46米高的井架瞬間消失在本來只有3米深的湖中。同時，湖水淹沒了地下430米深處的礦洞，先后吞噬了11艘駁船、1艘拖船、無數的樹木、35公頃的湖畔土地和一座建筑的一部分。

以往，皮內爾湖的水由朱紅-特切盆地匯入，隨后從皮內爾湖經德爾坎布雷運河流入朱紅灣，然后進入墨西哥灣。此時，德爾坎布雷運河從一頭往湖里灌水，從墨西哥灣遠道而來的咸水也逆流而上，進入幾乎已經空了的湖床，形成高達50米的臨時大瀑布，成為路易斯安那州有記錄以來最大的瀑布。湖水的大量涌入迫使湖底鹽礦內的空氣快速排出，被壓縮的空氣伴隨涌入的湖水從主礦井噴涌而出，形成高達122米的間歇式泥漿噴泉。過了幾天，壓力才達到平衡。大量倒灌的咸水使皮內爾湖從淡水湖變成了咸水湖，深度也增至60米，成為路易斯安那州最深的湖泊。

1985年，路易斯安那州新奧爾良大學的生物學教授羅素·弗里蘭帶領研究團隊，進入皮內爾湖收集湖底部分廢棄鹽礦的水樣。此外，他們還在俄克拉何馬州的兩個鹽鹵公司收集了水樣，然后對這些樣品中的微生物組成進行分析。經過分離培養，研究人員從中發現了幾種極端嗜鹽微生物。

廣鹽性細菌常見于地下鹽水中，是一種能在鹽度大幅變化的水域中生存的細菌，它們會隨著雨水進入地層，并在穿越地層的過程中，逐漸適應不斷攀升的鹽度。然而，這種極端嗜鹽微生物至少要在20%的鹽水中才能存活，最佳的生存鹽度為25%～30%，如此高的鹽度在地下鹽水中極為罕見。那么，皮內爾湖里的廣鹽性細菌是從哪兒來的呢？

研究人員首先想到的可能性，是極端嗜鹽微生物可能原本就生活在皮內爾湖的湖水和滲透進地層的雨水中，并隨之進入礦井和地層。但實驗結果表明，這種極端嗜鹽微生物在鹽分低于15%的水中會直接裂解，無法存活。此外，他們檢測的采自俄克拉何馬州的兩個樣品，取自同一個盆地的不同地層（采樣點相距不到400米），水源也都來自滲透進地層的雨水，但是鹽度不同，一份為25%，另一份為8%，但只在鹽度較高的樣本中檢測到這種極端嗜鹽微生物。

團隊成員考慮到這些水樣的采樣點是與外界直接連通的，于是提出了第二種可能性：這種極端嗜鹽微生物可能是通過管道或礦井等途徑從地表進入。但他們從未在其他任何高鹽度湖泊中檢測到這類微生物。并且，皮內爾湖地區雨量豐富，地質和地形條件也不適合高鹽環境形成，因此這類微生物似乎無法在附近的地表存在。

既然如此，那么是否存在第三種可能性：湖中的這種極端嗜鹽微生物原本只是普通細菌，后來才演化出極端嗜鹽的特殊能力呢？從分子生物學角度來看，極端嗜鹽微生物與普通細菌的差異非常大，很難通過一系列突變進行演化。況且，從皮內爾湖水注入鹽礦，到弗里蘭研究團隊采樣，時間間隔不過5年，演化不可能如此迅速。

在排除了上述三種可能性后，團隊成員普遍認為，唯一合理的解釋是這些極端嗜鹽微生物原本就存活于鹽礦中，在湖水涌入或雨水滲入地下后，隨著晶體的溶解逐漸蘇醒。如果這個看法能夠成立，那么就表明這些極端嗜鹽微生物早在巖鹽晶體形成時就已經存在。皮內爾湖湖底的鹽來自早白堊世，而俄克拉何馬州盆地兩處采樣的地層分別距今1億和2.5億年，由此可見，它們很可能已經以這種形式存活了數億年。

越來越多的研究表明，微生物可以長期存活于礦物晶體中。例如，2000年，弗里蘭教授從約2.5億年前的二疊紀地層的流體包裹體中分離培養出了一株全新的芽孢桿菌。2022年的一項研究顯示，在澳大利亞中部的新元古代地層中蟄伏著距今8.3億年的微生物。此外，還有一些科學家在2022年發現了一種別名為“柯南細菌”的抗輻射奇異球菌，竟然能在地表以下10米的冷凍干燥條件下蟄伏2.8億年之久。

為了紀念科學家勞倫斯·霍赫斯坦在極端嗜鹽微生物研究方面所作的貢獻，弗里蘭研究團隊把從皮內爾湖底鹽礦分離得到的“杰佛森島1號”古菌命名為“霍赫斯坦的鹽紅菌”，將其劃定為鹽紅菌屬的一個新物種。他們期待，隨著科技的發展和研究的深入，或許會有越來越多與恐龍同時代（甚至更早）的古菌穿越時空與我們相見。

沃斯托克湖：生活著前所未見的微生物群

南極洲是地球上最遙遠的大陸之一，由大陸、陸緣冰和島嶼組成，總面積超過1400萬平方千米，其中大陸面積1239.3萬平方千米，陸緣冰面積158.2萬平方千米，島嶼面積7.6萬平方千米。這里的天氣條件極端惡劣，被冰雪覆蓋的區域超過95%。南極洲是地球上非常神秘的區域，在很長一段時間內，人們并不知曉厚度達到4000米的冰層之下到底隱藏著什么。

1957年，蘇聯科學家在南極洲建立了沃斯托克科考站。1960年，蘇聯南極探險隊的地理學家安德烈·卡皮查在乘坐飛機飛越沃斯托克地區上空時，發現冰原上有一個巨大的平坦區域。他認為這塊冰原之下有一個湖存在，但當時這個觀點并沒有引起人們的重視。時間到了1973年，英國有研究者聲稱，在該地區發現了巨大的湖。1996年，俄羅斯和英國的科學家通過雷達、鐳射高度計和重力測量儀等工具進行分析，最終確認了沃斯托克湖的存在。在沃斯托克湖存在被證實5年后，兩國科學家聯合行動，繪制出了沃斯托克湖的基本輪廓。2005年5月，科學家又發現沃斯托克湖的中央有座島。

從1991年開始，直到2012年，俄羅斯科考隊足足用了21年的時間才將覆蓋在沃斯托克湖上的冰層鉆透，并盡可能做到了“無污染”鉆探。2012年2月，俄羅斯科考隊已經鉆探到了冰下3769米的位置，距離冰下湖已近在咫尺。但因壓力等作用，最后幾十米冰層的結構異常堅硬難“鉆”。所幸后來在“龜速”鉆探下，成功將冰層打通，湖水在巨大的壓力下直接噴向幾百米的高空。

沃斯托克湖，靠近俄羅斯沃斯托克科考站的下方。它的面積約為 1.4萬平方千米，深度至少為100 米，是南極洲140多個冰下湖中水體最大的，也是世界上最大的冰下湖。沃斯托克湖的海拔為3500米，與南極海岸線的直線距離有1500千米。

研究證實，沃斯托克湖擁有大量的液態水（約5400立方千米），是地球上最大的超純凈水系之一，水質比經過兩層凈化的蒸餾水還要干凈得多。沃斯托克湖可能是地球上水量變動最小的湖泊。這些湖水為未凍結的淡水，平均水溫為-3°C，被封存在厚實的冰冠下至少百萬年。

科學家們認為，湖水在凝固點以下還能保持液態，可能是三種因素共同作用造成的。一是來自地心的熱力使湖底的溫度上升，進而使湖水維持液態；二是厚重的冰層造成的巨大壓力使湖水的凝固點下降；三是厚實的冰層使湖水與南極地表寒冷的空氣隔絕。

在從沃斯托克湖獲取的樣本中，最具有研究意義的是湖中的生物群，包括細菌、真菌和原核生物，甚至還有軟體動物。科研團隊在采集的樣本中發現了3507個基因序列，其中94%來自細菌、6%屬于真核生物。這些生物群的DNA排列順序明顯異于地球現存的生物種群，其中許多DNA片段甚至是從未見過的，不屬于地球上的任何一個物種，極有可能是已經滅絕了的生物的基因。

克勞福德湖：留下人類改變地球的證據

克勞福德湖是加拿大安大略省一個小而深的湖泊，雖然面積僅為2.4公頃，但水深近24米。由于其形狀獨特，底部與表面的湖水不會混合，除了沉入湖底的物質，湖底幾乎與世隔絕。那里淤泥層層疊疊，留存了過去幾十年來人類活動改變地球的證據，可以按年份為分析人類活動產生的影響提供樣本。

2023年4月，為了提取湖中的分層沉積物，加拿大布羅克大學的地球科學教授弗朗辛·麥卡錫領導的研究團隊乘坐木筏來到湖面上。他們精心設計了一種“冷凍取芯器”，取芯器長長的鋁制楔子里裝滿了酒精和干冰的混合物。他們將取芯器懸掛在三腳架上，通過木筏上的一個洞將其沉入，穿過湖水到達湖底，最后沉入湖底沉積物中。大約40分鐘后，取芯器表面就凍結了厚厚一層湖底沉積物。研究人員拉回取芯器，將凍結在取芯器表面的湖底沉積物像切蛋糕一樣切下來，這樣就完成了取樣。

對此，麥卡錫介紹道，人類活動的一切秘密都隱藏在不同層次的湖底沉積物的化學和物理構成中。最底層的人類印記由當地印第安人留下，這一“土著時期”超過2個世紀，該時期的沉積物中包括農作物的花粉、鵝糞等。大約在16世紀初，“土著時期”消失了，之后的沉積物顯示歐洲人活動的影響力越來越大。例如，隨著人們砍伐樹木，白松花粉數量減少。在1950年前后，世界到達了一個臨界點，最明顯的變化是放射性钚的激增。這種元素很少在地球上天然存在，只能來自發生在數千英里之外的核武器試驗。整個19世紀和20世紀，沉積物中開始出現燃燒煤和石油的副產品，如微小的黑色飛灰顆粒、泥漿中銅和鉛等重金屬含量顯著增加。

麥卡錫指出，從1950年前后開始，克勞福德湖就有多種明顯的信號表明，人類的影響壓倒了地球系統。到今天，人類短短70多年的活動帶給地球的變化比此前7000年的總和還要大。從來沒有一個物種能夠對地球造成如此巨大的影響。雖然同樣的證據也出現在地球其他地方的泥炭沼澤、海洋盆地、珊瑚礁的骨架，甚至南極洲的冰層，但是克勞福德湖保存完好的年度沉積物記錄的證據最具說服力，令人驚嘆。

研究團隊成員建議，把克勞福德湖視作一枚翻開地質年代新篇章的“金釘子”，標志著地球已經進入“人類世”。 他們計劃將這一證據和建議提交給國際地質科學聯合會各級機構表決。