搜寻生命的铁证

已经是接近午夜了。科学考察船“亚特兰蒂斯”号在哥斯达黎加以西大约1600千米的海面上，在东太平洋中的一片热液喷口区域徘徊。在漆黑一片的控制室里，罗格斯大学微生物学家科斯坦蒂诺·韦特里亚尼就坐在离我几米远的地方。尽管夜已经深了，但他依旧精力旺盛。他全神贯注地盯着几十个监视器，只是偶尔用一只手摸一下他那剃得光光的脑袋。监视器上显示着从海底的遥控潜水器发回的即时影像，我们可以看到温度超过350℃的、灼热的浓浓黑烟，从距离我们大约1600米的海底石塔中滚滚涌出。此情此景真是震撼人心！水下的这些石柱正在狂暴地释放着来自黑暗地心的被封闭的能量。韦特里亚尼是一位打扮得体的意大利人，他穿着一件T恤衫，上面写着：“RNA（核糖核酸）：另外一种核酸。”他那炯炯有神的黑色眼睛，仔细观察着这股原始的力量。他笑了一下， 说道：“一个（海底）黑烟囱，就是通向地狱的一扇窗户。”

    在东太平洋上的热液喷发区，工程师在“亚特兰蒂斯”号的甲板突出部调配“詹森”号远程遥控潜水器。

事实上，（海底）黑烟囱也可能是开启地球上生命爆发的窗户。韦特里亚尼是一个科学家团队中的成员，他们来到这些海底热液喷口，是为了研究微生物。这些微生物像地毯一样覆盖了整个热液喷口区域。早前，在这艘船的图书馆里，伍兹霍尔海洋研究所的微生物生态学家、团队首席科学家斯蒂芬·西韦特，为此次长达一个月的探险之旅勾画出了目标。他解释说，知道这些微生物是如何在这种地狱般的热液喷口中存活下来的（它们利用的是什么营养素，利用率是多少，它们将热液转化为鲜活生物量的速度有多快），就能够让我们深入了解生命是如何进化的。当遥控潜水器在海底工作时，我在控制室中一直紧随其后，并帮忙记录。遥控潜水器全天运转，只有当海底环境太过恶劣，以致遥控潜水器无法安全工作时，才偶尔中断一下。

午夜过后，在韦特里亚尼和我造访海底“黑烟囱”时，他对我说热液喷口是“一种历史遗迹，我们相信，它与地球的早期环境十分相似。我们现在所做的，归根结底是为了了解生命在地球上是如何进化的”。在“亚特兰蒂斯”号上，不仅可以了解今天生活在热液喷口中的原始微生物，还可以了解有机生命是怎样第一次出现在大洋深处的。在这片仿佛超越了时间的海底，岩石与水相遇，当我们看到浓浓的热液从矿物质烟囱中滚滚涌出时，恍如我们正在直视着的，就是生命的诞生地。

自1977年热液喷口被随“阿尔文”号深潜器下潜的地质学家发现以来，很多科学家相信这些深海熔炉很可能就是生命的摇篮。虽然问题还远未解决，但排出的热液和周围的海水带来了生命的必需元素，比如：碳、氢、氧、氮和硫。科学家相信，这种易燃的混合物很可能生成了大量复杂分子的前体，比如RNA（核糖核酸）。正是RNA在第一个细胞中搅起了生命的萌动。

人们发现深海存在热液喷口的线索，要追溯到1976年在加拉帕戈斯群岛附近进行的一次探险，一台在海底拖行的仪器探测到一股比周围冰冷的背景海水略微温暖一些的液体。第二年，地质学家带着深潜器又回到这里，并且发现了他们预料中的、冒着烟的海底温泉。随之而来的，还有他们完全没有预料到的一群生物：蛤蜊、巨型蠕虫、粉红色的鱼、天白色的螃蟹。

在当时，深海被认为是一片生物学上的荒漠，没有人料到对海底热泉的探险还需要生物学家的参与。但是，当第一次潜到热液喷口时，“阿尔文”号深潜器上的地质学家杰克·科利斯立刻就将它们视为生命起源的一个可能地点。热液系统很可能在早期地球上大量存在，早期的地球温度要比现在更高。1980年，科利斯与研究了取自热液喷口的最早一批微生物样本的微生物学家约翰·鲍罗什以及研究生萨拉·霍夫曼，联合发表了一个假说，认为简单的有机分子，比如氨基酸，可能在热液中形成，而且这些分子最终可能被一层膜包裹，从而形成一个活的细胞。鲍罗什将热液喷口描述为“唯一可以被称为‘真正原始’的现代地质环境”。

尽管深海热泉在温度、压力以及其他环境特征上都较为极端，但是在早期地球极为恶劣的环境下，深海热液喷口提供了一个相对舒适的避难所。在早期太阳系中，我们年轻的地球暴露在太阳的强烈紫外线辐射中，因为它当时还没有形成保护性的臭氧层。直到生物进化创造出了光合作用，光合作用将氧气稳定地补充到我们的大气层中，这一噩梦方才宣告结束。

而且，太阳灼伤并不是地球表面面临的唯一挑战。地球科学家认为，就在生命刚刚开始起步的前后，地球曾经遭受过太空岩石的狂轰滥炸。卡内基科学研究所天体生物学家，同时也是《地球的故事》（《地球的故事》主要讲述了地球的形成以及地球上早期的生命）的作者罗伯特·哈森说：“这些撞击使地球的表面以及接近地表的地方变得极其危险，但在海底， 在热液系统产生的区域，所有这些问题都被解决了。”

最重要的是，这些热液喷口中充满了能量。起初，从热泉中喷出的液体是冰冷的海水，后来渗入了海底的裂隙。在地壳中，溶解了来自熔岩的矿物质和气体——比如氢和硫化氢——的海水，在被喷射回海洋之前被岩浆加热。今天，生活在热液喷口处的微生物，利用这些热液中的化学能制造糖分以及其他一些高能分子，从而形成了食物链的基础。

在一个阳光明媚、和风徐徐的下午，当我和西韦特在船头漆黑的控制室里进行早、晚班交接时，西韦特说：“生命需要能量，而在热液系统中有大量能量可供利用。因此，热液系统附近是生命开始的绝佳地点。你很容易就可以想象，早期生物在这些能量来源的供养下， 会是怎样的生机勃勃。”

海底黑烟囱

关于生命起源于热液喷口的假说，也从一种新型热液喷口的发现中得到推动。1991年，现在就职于美国航空航天局喷气推进实验室的地球化学家迈克尔·拉塞尔研究了位于南斯拉夫境内的一处富镁矿床，提出该矿床最初应该是由一个呈碱性的热液喷口形成的观点。而在海底黑烟囱和其他火山口处发现的典型物质，都是一些酸性物质。

在当时，还从未有人见到过类似拉塞尔描述的碱性热液喷口。2000年，华盛顿大学海洋地质学家黛博拉·凯利及其同事，考察了沿大西洋洋底延伸的山脊。她们白天乘“阿尔文”号深潜器下潜，晚上还要拖上一台摄像机继续观测。一天晚上， 在摄像机传回的图像上，有人注意到一个奇怪的白色塔状物。2天后，凯利下潜到了该地点，并且近距离看到了这个被她称为“失落之城” 的地方。

“失落之城”的热液喷口，是通过海水与地壳中的富铁富镁岩石矿物之间的化学反应形成的。该反应会产生热量。正如拉塞尔曾经预测的那样，这些热液喷口也会产生碱性的热液，而且这些热流会从海底向上升腾。当这些热液向上汇入海洋，它们会将溶解的二氧化碳转变成石灰岩结构，而石灰岩结构很可能为刚刚起源的生命提供了庇护。

随着对“失落之城”热泉的特性了解得越多，研究生命起源的科学家越发感到兴奋。其中一个很吸引人的地方，就是在热液和海水之间出现了离子梯度。众所周知，离子梯度在几乎所有已知的生命形式中都是一个至关重要的因素。碱性热液的pH值为10至11，而海水的pH值在8左右，因此海水要比热液含有更多的质子（也就是H-1离子）。

这一地质化学现象吸引了科学家的注意，因为离子梯度是存在于活体生命中的普遍特性之一，而且在细胞获取能量的方式中，离子浓度是一个基础环节。它提供的这个条件，使得深海热泉有可能成为早期生命的“酿造厂”。

英国伦敦大学学院生物化学家，同时也是《生命的跃升》的作者尼克·雷恩说：“所有生命体所做的，正是制造一个质子梯度，然后利用这些质子穿过生物膜所形成的质子流来产生化学能。 ”《生命的跃升》讨论了生命的起源与进化。这一通用的能量产生模式，对线粒体来说尤其适用。线粒体是细胞内的“发电机”，就像它在大多数独立生存的微生物中一样，也在人体的细胞中提供能量。

顺着这条线索继续向前推进，在大约40亿年前，居住在热液喷口毛细孔中的年轻原始生命，可能已经通过对RNA进行化学微调，获得了DNA。

管形蠕虫

雷恩解释说，这个系统的运作有点像水电站的水坝。以一种蛋白质的形式存在于细胞内的生物泵，将大量质子移到生物膜的一侧; 生物膜对质子开启“放行”模式， 使质子能够通过在生命体内所扮演的角色类似于涡轮发动机的另一种蛋白质， 穿过生物膜再流回去。 这个“涡轮发动机”会产生ATP，也就是三磷酸腺苷，它携带着可以为细胞活动提供动力的生物化学能量。

虽然这些特定的蛋白质和生物膜在不同的生命形式中差别很大，但是质子梯度在人们研究过的几乎所有生命形式中都存在，一些研究人员认为，这是质子梯度一定会出现在生命诞生环境中的间接证据。“很难解释为什么所有生物都具有这一特征，除非你能说明在生命开始萌动的地方，就存在质子梯度的根源。”德国杜塞尔多夫大学进化生物学家比尔·马丁说：“说到这里，这些碱性的深海热泉是不是已经开始让你觉得看上去好多了。”

那么，生命是如何依靠自身的努力，在像“失落之城”那样的热液喷口，或者在像“亚特兰蒂斯”号下面那些点缀在太平洋洋底的热液喷口中，成功产生的呢？有一种可能是，在热液喷口， 一些简单物质（像二氧化碳和氢）之间的反应产生了有机分子，而随着反应的进行，这些有机分子变得越来越复杂。

从本质上说，热液喷口可能扮演了一个“自然水热反应器”的角色。举例来说，在热液喷口中的矿物质的催化下，二氧化碳和氢反应可以生成一种被我们称为丙酮酸盐的分子。丙酮酸盐是多种氨基酸的前体之一，而氨基酸形成以后， 它们之间可以连接在一起形成蛋白质。二氧化碳和氢还可以形成甲醛，而甲醛与甲醛之间可以发生反应形成核糖，而核糖是RNA的组成部分之一。而在热液喷口中发现的氰化氢自身之间可以发生反应，形成环状结构的化合物，而环状结构的化合物是RNA的另一个基础组成部分。核糖、一个碱基和一个磷酸基团（在热液喷口中同样也可以发现）结合在一起， 从而形成一种被称为核苷的化合物。若干个核苷酸连在一起，你就有了一条RNA链。热液喷口中的毛细孔可能扮演了生物膜的作用，将诸如RNA和氨基酸之类的有机分子集中在一个狭小的空间里。

最终，这些RNA 将开始自我复制，这是一个受自然选择支配的过程。顺着这条线索继续向前推进，在大约40亿年前，居住在热液喷口毛细孔中的年轻原始生命，可能已经通过对RNA进行化学微调，获得了DNA（脱氧核糖核酸）。通过去除一个氧原子，将核糖转变为脱氧核糖，再加上一个甲基将单个碱基固定住，这样就造成了DNA 和RNA 的不同。在完成这些后，“近似生命” 还需要组装出自己的生物膜，并产生自身的离子梯度，用来以ATP的形式制造出能量。做到这一点，它就可以被认为是第一个细胞了。

在“亚特兰蒂斯”号的甲板上，一批采自热液喷口的样品破浪而出，当吊车将满满一网样品堆放在甲板上后，韦特里亚尼像其他科学家一样扑了过去。他拿到一个装满海水的盒子，并且从里面掏出了一段“黑烟囱”。这段“黑烟囱”和一个由聚氯乙烯与编织网制成的细菌取样缸， 都采集自海底，“黑烟囱” 上的黄铁矿还闪闪发亮。韦特里亚尼连忙回到船上的实验室，在那里与他的合作者一起开始处理这些样品。

韦特里亚尼和西韦特找到的很多微生物，都被证明属于ε-变形菌纲， 而ε-变形菌纲的微生物在热液喷口几乎占据了统治地位，在地球上的其他环境中这一情形则不常见。他们还发现，这些微生物中的一些不耐受氧气，而是利用硫来进行“呼吸”， 而硫在热液喷口处通常大量出现。“对那些古老的生命来说，这一利用硫的代谢途径可能是一个核心的代谢途径，”韦特里亚尼说，“因为这一代谢途径可以仅仅依靠早期地球的原材料（指硫），而成功地避开了在早期地球上不可能找到的原料（指氧气等）。”

对这些原始微生物的分析，能够为生命的起源提供些什么确凿的证据呢？韦特里亚尼说，如果要求他给出一个答案的话，他也很为难。从根本詹尼弗·巴罗内，美国“学者公司”旗下《科学世界》杂志社的高级副主编。上说， 对“生命发祥地”的调查本身还处于“婴儿期”。“几十年前，我们甚至不知道生命可以在一些温度如此之高的地方存活，”韦特里亚尼说，“生命的起源意味着我们要回到第一个细胞‘组装’前发生的非生物过程。通过研究这些热液喷口的微生物，我们正在尽可能地接近事实真相，以便了解这些早期的代谢途径究竟是怎么回事。这些热液喷口的微生物， 很可能是我们能找到的、 最接近几十亿年前已经生活在地球上的微生物的群体了。我们相信，在没有氧气的条件下，早期微生物可能出现在火山环境中。”

在船上，当我日复一日地待在装满了显示器的控制室内，记录着我们在哪里采集到了哪些种类的样品时，我期待着能够看到海底的那些巨大烟囱的成长变化。但是一个月以后，它依然没有什么变化。我清醒地意识到，无论是在“亚特兰蒂斯”号或是在岸上的实验室中发生了什么，确定生命的起源也许仍旧只是遥不可及的事情。但是，我知道是什么力量牵引着探险家，怀揣着每一次都能够离我们自身的起源更近一些的希望，一次又一次地回到这个地方。