地底有大量生命存在它們靠地震存活

在我們腳下，從接近地表的深度到幾千米深的地層中，其實生活著地球上最古老的一群生命——原核生物。已有研究提出，從古菌到氧化還原細菌，多達95%的原核生物都生活在地殼深處，它們甚至占據了地球總生物量的19%。因為缺少陽光和氧氣，這里的生物只能從礦物中獲取營養，從水和巖石的反應中獲取能量。

從本質上來說，我們和這些原核生物的生存方式是一樣的。在地球表面，人體攝入的葡萄糖分解釋放電子，這些電子傳遞給氧氣分子，隨著氧與氫結合成水，釋放出的能量形成ATP，供給人類各樣的活動。這種電子在氧化還原對之間的流動，提供了生命活動需要的能量。

而在深不見光的地底，這里的微生物同樣依靠電子的流動獲取能量。由于無法接觸到太陽能，對地底生物來說，它們最常見的電子供體就是氫氣。

氫氣通常形成于水的電解。一些具有放射性的巖石可能會分解水產生氫氣，還有一些富鐵的巖石可以與水反應產生氫氣（通常發生在巖石蛇紋石化過程中）。

但在一些情況下，巖石在破裂時也可以分解水，產生氫氣。尤其是在地震作用，或是冰川引發的巨大壓力下，在硅酸鹽巖石新鮮的斷裂面上，斷裂或扭曲的硅-氧鍵會產生活性自由基，從而使水具備分解成氫氣的能力。事實上，水在這類巖石新鮮斷面的作用下發生的反應被認為是斷裂帶與冰川底部氫氣的潛在來源，甚至可能促進了地球早期氧氣的產生。

但只有氫氣還不夠。就像我們需要氧氣一樣，地殼深部的微生物如果想要利用這些氫氣（電子給體），也需要電子受體。“（就算）食物擺在桌子上，但如果沒有叉子，你還是什么都吃不到。”加拿大多倫多大學的芭芭拉·舍伍德·洛拉（Barbara Sherwood Lollar）在接受《新科學家》（New Scientist）采訪時解釋道。

最近，一項發表于《科學·進展》（Science Advances）的研究就嘗試尋找深地微生物的“食物”和“叉子”，這項研究由中國科學院廣州地球化學研究所的何宏平院士和朱建喜教授領導完成，洛拉也是作者之一。

地下電網

在地下，有一種元素對生命非常重要，就是鐵。它廣泛分布于大多數巖層中，并且具有高度遷移性——在硫、氮、碳這些微生物代謝核心元素的生物地球化學循環中起著關鍵作用。

我們當然無法親身進入數千米下的地層，去實地觀察受地震活動影響的巖石中微生物的活動。因此，研究者在實驗室里設置了缺氧條件，并利用石英和球磨工藝，模擬地震中巖石破裂后的反應。在研磨過程中，石英就可以模擬巖石中常見的硅酸鹽礦物。其中的硅氧共價鍵容易斷裂，使共用電子對平均分配給硅原子和氧原子（這個過程被稱為均裂），由此形成兩個活性自由基。隨后，研究者會將粉碎的石英與水和多種形態的鐵混合。

在實驗室里，破裂的石英與水反應，釋放出了大量的氫。其中既包括氫氣，也存在一些其他形式的氫，例如過氧化氫（H2O2）。研究者發現，由于微量過氧化氫的積累，局部的水溶液會呈弱氧化性，而由于氫氣的積累，頂部空氣會略呈還原性，這種氧化還原梯度僅存在于非常局部的區域，甚至可能只有微米尺度，但卻有潛力為深層地殼中的生命提供適宜的生存環境。“其重要性，堪比近期報道的海底‘暗氧’現象。”研究者在論文中寫道。

研究者發現，由于微量過氧化氫的積累，局部的水溶液會呈弱氧化性，而由于氫氣的積累，頂部空氣會略呈還原性，這種氧化還原梯度僅存在于非常局部的區域，甚至可能只有微米尺度，但卻有潛力為深層地殼中的生命提供適宜的生存環境。

一旦相對穩定的氧化還原對（如氫氣和過氧化氫）形成，氧化還原梯度便可以快速建立，并進一步與地下水和巖石中的鐵發生反應——即使是這樣局部的氧化還原條件，也可以將二價鐵氧化為三價鐵，或是將三價鐵還原為二價鐵。而隨著鐵參與其中，電子就能進一步在碳、硫、氮等生命必需元素之間流動。在接受新華社采訪時，研究者將這種能量機制比喻成一種長期的“電池”或是“地下電網”，可以源源不斷地為地下生命提供能量。

無處不在

從總量來看，地震導致的巖石破裂釋放的氫氣其實并不多。研究團隊根據地震震級、斷層面密度和地震頻率做了簡單估算，發現全球地震每年至少會產生1.1×103摩爾氫氣，這個數字其實比輻射性巖石和蛇紋石化，以及海洋系統中海水與巖石的反應低很多。

然而，對深層地殼中生物的氧化還原循環來說，地震的作用不容忽視。如果從單位面積看，巖石破裂局部氫氣的產生速率很高，可以達到每平方米每年33.1摩爾，這個數字比輻射分解水和蛇紋石化至少高出5個數量級。“這樣局部的產氫速率對維持巖石內棲息的微生物生命至關重要，特別是在一些開放裂隙內。”論文中解釋道。在這些活動的斷層中，形成了一個個微生物活動與多樣性的局部熱點。

早在生命剛剛起源的時候，這些氧化還原反應可能就已經對深層生物圈產生了影響。而現在，這樣的氧化還原梯度依然存在于地層深處。同時，這樣的反應并不一定要發生強烈的地震，在一些構造活動平靜的地區，甚至是在一些已經停止構造活動的行星內部，當壓力分布發生變化時，巖石的破裂也可能會發生類似反應。

“在木衛二、土衛二等天體的地下環境中，”論文中寫道，“這樣的過程可能也在發生。”