深海黑煙囪

土衛(wèi)二羽流和深海熱液活動(dòng)示意圖

隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)于地球生命起源的探索在不斷深入。上世紀(jì)五十年代著名的米勒實(shí)驗(yàn)表明，即使在地球表面自然環(huán)境中，非生命物質(zhì)通過(guò)化學(xué)作用可以產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生物分子。并且科學(xué)家也成功地將有機(jī)小分子復(fù)合成有機(jī)大分子，而在有機(jī)分子合成生命體細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中至今還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但與此同時(shí)，科學(xué)家在探索極端環(huán)境中的生命現(xiàn)象取得了突破。上世紀(jì)七十年代，美國(guó)“阿爾文號(hào)”深潛艇二次深潛至東太平洋加拉帕戈斯群島附近海底深處發(fā)現(xiàn)了黑煙囪和熱液生物群(圖1)，震驚了世界，大大拓展了科學(xué)界對(duì)極端環(huán)境下的生命認(rèn)識(shí)。

深海黑煙囪和熱液生物群的發(fā)現(xiàn)不僅表明地球上除了有光生物鏈外，還存在著另一類生命系統(tǒng)，它們無(wú)需光合作用，無(wú)需以植物作為食物鏈的基礎(chǔ)。在深海黑暗、酷熱的環(huán)境下，地?zé)崮艽�替了太�?yáng)能，靠完全不同的化學(xué)合成有機(jī)質(zhì)的方式來(lái)維持生命活動(dòng)，硫細(xì)菌等微生物就是黑暗世界食物鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

更有意思的是，深海黑煙囪為生命起源的研究開(kāi)拓了新途徑。因?yàn)樯詈�熱液噴口微生物生存環(huán)境與地球形成早期的環(huán)境十分相似，具有高溫、高壓，含有豐富的還原性物質(zhì)等特點(diǎn)。而且，熱液口有著最大的溫度、pH 和Eh梯度。古生物研究也表明，在澳大利亞西部約35億年硅質(zhì)燧石中發(fā)現(xiàn)了形似絲狀藍(lán)細(xì)菌的微體化石，而碳、硫同位素測(cè)試表明，那時(shí)已經(jīng)有藍(lán)藻、還原硫細(xì)菌等構(gòu)成的原始生物圈。

科學(xué)家們由此提出了生命有可能起源于熱液環(huán)境的假說(shuō)。認(rèn)為最初的生物有機(jī)質(zhì)的合成和生命的出現(xiàn)有可能就在熱液噴口附近發(fā)生。熱液的溫度、電位、pH梯度，噴出物中的CO、NH3、H2，F(xiàn)eS、NiS對(duì)生命的出現(xiàn)起了催化作用。

目前已知，生命存活需要三個(gè)要素：液態(tài)水、能量以及必要的化學(xué)成分(碳、氫、氧、氮、磷和硫)。而這樣的條件，近年來(lái)，也在人類探索的外星體上有了重大突破。

新哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在長(zhǎng)期的對(duì)木衛(wèi)二歐羅巴的觀察任務(wù)中，于 2016 年拍攝下了一張木衛(wèi)二星球表面疑似出現(xiàn)羽流的照片，巧合的是，這張照片中羽流出現(xiàn)的地點(diǎn)與 2014 年它拍下的另一張木衛(wèi)二表面羽流的照片完全一致。這意味著木衛(wèi)二上出現(xiàn)的羽流可能是一個(gè)真實(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。同樣現(xiàn)象也在土衛(wèi)二發(fā)現(xiàn)。

“卡西尼號(hào)”，一臺(tái)執(zhí)行木星附近探索任務(wù)近十三年的探測(cè)器成功地在土衛(wèi)二表面完成了羽流的取樣�？茖W(xué)家們對(duì)樣品進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二表面冰層下的海洋中存在著氫氣。這意味著如果這冰下海洋中存在著生物——至少是微生物，那么他們就可以通過(guò)將氫氣和水中的二氧化碳結(jié)合來(lái)獲得能量。

不久前，《科學(xué)》雜志報(bào)道，科學(xué)家根據(jù)“卡西尼號(hào)”探測(cè)器的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，“土衛(wèi)二”星球有一個(gè)遍布全球的海洋，在其海洋深處還存在熱液噴泉活動(dòng)。與地球上的深海熱泉相似，這些熱液噴泉將有可能為利用化學(xué)能生存的細(xì)菌提供食物，從而支撐起一個(gè)繁盛的海底生態(tài)系統(tǒng)。因此，“土衛(wèi)二”很可能已經(jīng)為生命的存在提供了合適的舞臺(tái)(圖2)。

那么，有趣的疑問(wèn)是，深海微生物是不是還保留著地球上或者地外星球生命起源的蹤跡?有否可能提供行星之間生命漂移的可能機(jī)制?

科學(xué)家通過(guò)天體化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，太空中存在大量有機(jī)分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶等生物化學(xué)分子，以及醇、醛、有機(jī)酸和腈類分子。小天體含有碳基分子和水。約70%C型小行星含有5-10%碳、氮和水。碳質(zhì)隕石(如Murchison隕石)已發(fā)現(xiàn)60多種有機(jī)化合物。

另外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在地球上所有生物體中只有左旋氨基酸。富含碳的小行星(C型)隕石中發(fā)現(xiàn)了氨基酸異纈氨酸，絕大多數(shù)也以左旋形態(tài)存在。早期地球曾被大量含有左旋氨基酸的隕石撞擊，這些氨基酸最終促成生命的出現(xiàn)。“左旋生命”可能來(lái)自于太空。

近年來(lái)，國(guó)外科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬表明，彗星攜帶的諸如氨基酸等構(gòu)成生命的元素在劇烈的撞擊過(guò)程中仍然完好無(wú)損，或者在其他惡劣的環(huán)境中也可以保存下來(lái)，這些生命的拼圖在彗星等天體的“轟炸”下逐漸搭建起來(lái)，并可能導(dǎo)致了原始生命跡象的出現(xiàn)。

顯然，這對(duì)生命起源和地外生命的探索打開(kāi)了一個(gè)新的思路，也就是地球早期大規(guī)模的隕石撞擊對(duì)前生命進(jìn)化的化學(xué)過(guò)程可能起了重要作用，隕石或彗星等天體帶來(lái)的有機(jī)分子可能參與地球原始生命的起源。

(作者系中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng))