地下生命靠什么活着？

编译 刘迪一

没阳光？ 没问题。 放射性衰变可能支撑着地下生命。

科学家为追求生命的极限，不断突破探索的边界。他们向地表以下挖掘数千米，从矿井底部向外钻探，并将钻孔深入至海洋沉积物。美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心的化学家和天体生物学家托里•霍勒（Tori Hoehler）表示，令他们惊讶的是，“我们看到到处都是生命” ，它们以惊人的数量存在着。根据各种估计，有生命居住的地下区域的空间是海洋的两倍，拥有1030个细胞——这使其成为地球上最大、最古老以及最具生物多样性的栖息地。

研究人员仍在努力探索地下空间的大部分生命是如何生存的。用于光合作用的阳光显然无法抵达如此深度，而这里微薄的有机碳食物也往往很快耗尽。与居住于海底热液喷口附近或因火山活动而升温的大陆区域内的生物群落不同，地下的生态系统通常无法依靠高温过程给某些不进行光合作用的地下生命提供支持——这些微生物必须在寒冷和黑暗下生存。

2021 年2 月，两支科研团队分别发表论文，似乎解开了关于地表下方和深海沉积物里的细胞的一些谜团。他们提供的证据表明，正如太阳的核聚变反应为地上世界提供能量，另一种核过程——放射性衰变——能维持地表深处的生命。岩石中不稳定原子的辐射可将水分子分解为氢和具有化学活性的过氧化物及自由基。某些细胞能直接以氢气为燃料，其他的分解物可将矿物质和周围的化合物转化成额外的能源。

尽管这些辐射分解反应产生能量的速度比太阳光和地下热的过程慢得多，但研究人员证明它们已经快到能在各种环境下成为微生物活动的关键驱动因素，并为多种有机分子及其他对生命很重要的化学物质的生成提供保障。

布朗大学的行星地质学家杰克•穆斯塔德（Jack Mustard）并未参与此项新工作，但他表示，这个辐射分解的理论“开辟了全新的视野”，帮助人类了解生命可能的样子，可能出现于早期地球，以及我们某天还可能在宇宙中的其他地方发现生命足迹。

1981 年，也就是科学家在热液喷口发现生命的4 年后，芭芭拉•罗拉（ Barbara Sherwood Lollar）开启了大学生涯。如今已是地球科学领域权威人物的罗拉表示，研究地下世界不仅是“一种了解地球上那从未见过的部分，一种我们还不理解的生命的方式”，而且“显然会跨越化学、生物学、物理学和地质学的边界”，使科学家能以全新且有趣的方式将这些领域结合起来。

罗拉在20 世纪80 年代接受了学科专业培训，然后于90年代成为多伦多大学的地质学家，开启了自己的职业生涯。在这个时期，越来越多的地下微生物群落被发现。

“只要你有水、一些放射性衰变、一点硫化物，然后你就会得到一个可持续的能源生产系统，它可以持续数十亿年……”NASA的行星科学家杰西•塔纳斯博士后研究员如此说道。

部分研究人员提出这样一种观点：可能存在着一个由氢触发的地下深层生物圈，其中充满了以氢气作为能源的细胞。（人们从取自地下深层的样本里发现许多微生物都富含能从氢中获取能量的酶的基因。）许多地质过程可能会产生这种氢，而最为科学家深入研究的过程只发生于高温和高压条件下，这些过程包括火山气体之间的相互作用、特定矿物质在水作用下的分解以及蛇纹石化作用——某些种类的地壳岩石通过与水的反应发生的化学变化。

到21 世纪初期，罗拉与现任职于台湾大学的林立虹以及普林斯顿大学的图利斯•昂斯托特（Tullis Onstott）等人在从南非和加拿大地壳深处分离出的水中发现了高浓度的氢——用罗拉的话说，“在某些情况下，高得惊人”——但他们无法用蛇纹石化作用解释它，因为此过程所需的矿物质种类通常不存在，而且鉴于这些年一直没什么火山活动和岩浆流，其他过程似乎也不太可能。罗拉说道：“因此，我们开始扩展对产氢反应及其与这些地方岩石的化学和矿物学关系的理解。”

罗拉等人发现，这些多石之地的水不仅含有大量的氢，还有丰富的氦——这表明铀和钍等元素的放射性衰变产生的粒子正在分裂水分子。20 世纪初，居里夫人的实验室首次观察到水辐射分解的过程，当时的研究者发现镭盐溶液会产生氢气和氧气气泡。居里称其为“没有电极的电解”。（又过了几年，科学家才意识到氧气来自在此过程中产生的过氧化氢。）

罗拉、林立虹和昂斯托特等人于2006 年提出，南非和加拿大的微生物群落从辐射分解产生的氢气中获取生存能量。由此，他们开始了长期的探索，试图揭示辐射分解对地下自然环境里生命的重要性。

接下来十年的大部分时间里，研究人员从各个矿场的地下深层含水层中获取样本，并将流体的复杂化学性质与其地质环境联系起来。一些加拿大地壳下的水已与地表隔绝超过10 亿年——甚至可能长达20 亿年。水中存有细菌，且仍非常活跃。

穆斯塔德说道：“那必须是一个完全自给自足的系统。辐射分解似乎是一种可以期待的能源，但它是否有足够能量来维持生命？”

2014 年，当罗拉和她的同事将核化学家实验室的工作结果与地壳矿物成分模型相结合时，他们发现辐射分解和其他过程可能会在地下产生大量氢——与来自热液和其他深海环境的氢量相当。罗拉说道：“我们对地球上水岩反应产氢量的估计值增加了一倍。”

微生物可以直接利用辐射分解产生的氢，但这只是故事的上半程：为充分利用辐射分解，它们不仅需要氢作为电子供体，还需要另一种物质作为电子受体。罗拉等人怀疑这些微生物或许会在过氧化氢和其他含氧自由基与周围矿物质反应所产生的化合物中找到合适的电子受体。他们于2016 年发表的论文证明，辐射分解过氧化氢可能与加拿大矿井壁中的硫化物相互作用，进而产生可充当电子受体的硫酸盐。不过罗拉和同事还需要给出细胞依赖硫酸盐获取能量的证据。

2019 年，他们完成了这项证明。罗拉等人通过培养矿井地下水中的细菌，成功证明微生物能利用氢和硫酸盐。“只要你有水、一些放射性衰变、一点硫化物，然后你就会得到一个可持续的能源生产系统，它可以持续数十亿年……”NASA 的行星科学家杰西•塔纳斯（Jesse Tarnas）博士后研究员如此说道。

在2021 年2 月发表的论文中，罗拉和同事证明，辐射分解不仅对地球上的氢和硫循环起作用，也在与生命最密切相关的循环——碳循环——中扮演关键角色。他们对来自加拿大同一个矿山的水样进行了分析，结果发现其中醋酸盐和甲酸盐的浓度非常高，而这些有机化合物是可以支持细菌生存的；此外，关于同位素特征的测量显示它们并非生物制造。罗拉等人推测是辐射分解产物与岩石中溶解的碳酸盐矿物发生反应，结果产生了他们观察到的大量碳基分子。

推测需要更多证据来证实。而仅仅一个月后，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学地球化学家洛朗•特鲁什（Laurent Truche）和南特大学的约翰•范登博尔（Johan Vandenborre）等人就给罗拉团队帮了大忙。他们此前一直在实验室环境中独立研究辐射分解，而在其发表于3 月的论文中，特鲁什和范登博尔确定了在存在溶解碳酸盐的条件下，辐射分解的精确机制和产率；他们还测量了各种副产品（包括甲酸盐和醋酸盐）的准确浓度。他们记录的数量和速率与罗拉等人在天然岩石的深部裂缝中所看到的一致。

当罗拉在进行地下研究时，少数科学家正试图确定海底之下辐射分解的影响，美国罗德岛大学的地球微生物学家史蒂夫•德洪特（Steve D'Hondt）便是其中一位。同样是在2月，他和自己的研究生贾斯汀•索瓦奇（Justine Sauvage）以及同事发表了近20 年来的研究成果，证明辐射分解对于维持海底地下生态至关重要。

2010 年，德洪特和日本海洋- 地球科技研究所（JAMSTEC） 的地球微生物学家稻垣文雄（Fumio Inagaki）领导了一次钻探考察，从全球收集海底沉积物样本。之后，德洪特和索瓦奇将数十种沉积物悬浮于水中，并使它们暴露在不同类型的辐射下。结果他们每次都发现混合液产生的氢气量比纯水受到辐射后所产生的要多得多——沉积物放大了辐射分解的产量。德洪特指出：“在某些情况下，水中沉积物的存在使氢的产量增长了近 30 倍。有些矿物是生产辐射分解氢的温床，它们非常有效地将辐射能转化为可供微生物食用的化学能。”

然而，德洪特和同事在他们钻探的沉积岩芯里几乎没发现任何氢。他们的判断是，产出的氢被沉积物里的微生物消耗了。

根据德洪特等人的模型，在拥有超过几百万年历史的深层沉积物里，辐射分解氢的产生和消耗速度比有机物质更快，这使得水的辐射分解成为这些较老沉积物的主要能量来源——虽然这些能量只占全球海洋沉积物环境里可用总能量的1%～2%，但其影响仍相当大。（另外98%来自有机碳，有机碳的消耗主要发生于沉积物还“年轻”的时候。）

索瓦奇表示，这意味着辐射分解“是地球上重要微生物群的生物可利用能量的基本来源”——不仅是大陆，在海洋下方也是如此。

关于辐射分解的新发现可能不仅能解释它如何在极端环境下支持生命活动，还有望阐明非生物性的有机合成如何为地球和其他地方的生命起源奠定基础。

罗拉团队最近观察到，在加拿大矿山周围的封闭环境系统中，大多数含碳化合物似乎是非生物产生的，这让她感到振奋。罗拉表示，这些地方似乎可以被比作“地球在生命出现之前就存在着的原生汤”——即便生命并非起源于此类能量较高的地下环境（例如热液喷口），这些区域也很可能为生命提供了安全的活动场所，帮助它们长期维持，远离地表的危险（如流星撞击和困扰早期地球的高水平辐射）。

建模和实验工作表明，即使是简单的系统（例如仅由氢、二氧化碳和硫酸盐组成的系统）也可能导致极其复杂的微生物食物网；将辐射分解产生的甲酸盐和乙酸盐等化合物加入系统中可显著拓宽潜在的生态景观。由于醋酸盐和甲酸盐能形成更复杂的有机物，它们可以带来更加多样化的系统。

南加州大学的行星科学家道格•拉罗（Doug LaRowe）表示：“假设辐射只能制造碱性有机碳，如甲酸盐和乙酸盐，如果你将这些化合物转移至不同环境中，或许它们能在那里反应形成其他物质。”这或许有助于科学家更深入地了解氨基酸和其他重要的生命构成要素是如何产生的。

罗拉现在正和其他科学家合作研究加拿大古代水中存在的有机分子如何“复杂化”化学系统。巴黎地球物理研究学院的地球生物学家本内迪克特•梅内斯（Bénédicte Menez）表示，她的研究团队致力于确定更复杂的有机结构如何形成，以及在一些最早期微生物的代谢中发挥何种作用。

天体生物学家也意识到，在评估太阳系和银河系行星和卫星的可居住性时，考虑辐射分解是多么重要。外星生命的维持可能并不严格要求阳光和高温等条件。在任何存在地下水的岩质行星上，辐射分解几乎无处不在。