生命起源于严酷的深海吗

杨冬

2023年6月18日，美国海洋之门探险公司组织了一次商业海底观光活动。三名付费乘客乘坐一艘名为泰坦号的深潜器，下潜到豪华游轮泰坦尼克号沉没的位置附近，从而近距离观看海底泰坦尼克号的残骸。然而，不幸的是，泰坦号潜入约3900米的海洋深处时，突然与海面失去了联系。后续调查发现，泰坦号没能承受住海底巨大的压力，发生了内爆，化为了一堆碎片，所有乘员均不幸遇难。

泰坦号的悲剧提醒我们，深海是严酷的。那里水压巨大，黑暗阴冷，不仅人类无法生存，而且大部分地球上的生物无法适应深海环境。除了环境恶劣外，深海还是一个缺乏能量和资源的地方。由于阳光无法穿透几百米深的海水，所以光合作用基本上局限在不超过200米的深度范围之内。对于地球上大部分生物而言，其能量的终极来源是光合作用。因此，深海中的生物基本上都需要依靠海面附近的“产出物”维持生存。有些在深海中生存的动物可以上浮到浅海觅食，而更多的局限于深海或者海底的动物只能等待从上层沉降下来的“海洋雪”—海面生物的尸骸或者粪便形成的聚合物。“海洋雪”是海底生物主要的有机质的来源。如果一头鲸的尸体沉入海底，对附近的深海动物而言不啻于一场几十年未见的盛宴，可谓“一鲸落，万物生”。

深海中的生命绿洲

在人们的印象中，深海是一个贫瘠的世界，虽然那里也有不少海洋生物，但它们只是依靠海面的“施舍”勉强活着而已。然而，事实并非如此，深海中的生命也有属于自己的生命绿洲—热泉。

热泉主要位于某些地质活动活跃的洋底区域（如洋中脊）。在这里，通过裂隙渗入大洋地壳的海水被加热后，会与洋壳内的岩石发生反应，产生富含硫化物和各种矿物质的热液。随着压力的变化，这些热液又会回到海底，形成热泉。这些热泉往往可以支持一个独立于海面的生态系统。对于大洋底部贫瘠的“荒漠”而言，热泉周围的区域就是“荒漠中的绿洲”。20世纪70年代，阿尔文号深潜器多次深入数千米以下的太平洋海底进行探索。1977年，阿尔文号又一次潜入深海，科学家们通过深潜器发现，在暗无天日的海底，鱼类、贝类、虾、蟹、章鱼等多种动物生活在深海热泉附近，形成了一个生机勃勃的深海生态系统。

海洋深处几乎完全没有阳光，“荒漠中的绿洲”要怎样维持生机呢？科学家在热泉周围发现了一种奇特的生物—巨型管虫，它的生存之道也许可以给我们带来答案。从外观看，巨型管虫就像一条顶端为红色、长好几米的管子，它没有消化道，也没有嘴和肛门。那么，巨型管虫如何进食？它真的是动物吗？经过研究，科学家确认巨型管虫是一种动物，从动物分类学上看，它属于环节动物门，和陆地上的蚯蚓属于一个门。然而，和其他同门动物不同，它用于维持生存的营养物质并非来自植物或其他动物。巨型管虫过着一种自给自足的“田园”生活。科学家通过解剖从海底捞取的巨型管虫样本发现，占据其身体很大一部分的是一个叫作“营养体”的器官。在这个器官里，生活着大量的细菌，同时积聚着大量的单质硫。

“营养体”里究竟发生了什么事呢？原来，巨型管虫与细菌在这里建立了一种合作关系。巨型管虫为细菌提供氧气、硫化氢、二氧化碳等关键物质；细菌则通过将硫化氢氧化成单质硫的过程获得能量，还能通过还原二氧化碳合成各种有机物，回馈巨型管虫，这一过程被称为化能合成作用。热泉的关键贡献就是为巨型管虫提供硫化氢。与光合作用不同，这里用于合成有机物的能量并不是太阳光，而是来自氧气与硫化氢的化学反应。不过，发生在巨型管虫体内的化能合成作用，并未完全独立于太阳，因为它们在合成过程中需要利用氧气，而氧气仍然是光合作用的产物。然而，很多微生物进行化能合成反应时不需要氧气，因此是完全独立于阳光的反应过程。

除了巨型管虫，深海热泉周围还有大量不同种类的生物，它们都直接或者间接依赖化能合成作用维持生存。例如，各种细菌或独立生活在热泉附近，或与某种动物形成共生关系。其他深海动物无论是否与细菌共生，最终都得依靠细菌合成的有机物维持生命。除了巨型管虫，研究人员还发现了一种同样可以与细菌共生的巨型贝类。那些无法与细菌共生的动物则可以直接以细菌为食。在这个生态系统中，具有化能合成能力的细菌是整个系统的基石。

生物有兩种生存模式：自养和异养。自养生物是指那些能够将环境中简单的含碳分子，如二氧化碳和甲烷，转化为复杂有机物的生物。这个过程是一个耗能的过程，所以根据能量的来源，可以进一步划分成光能自养（依靠光合作用）和化能自养（依靠化能合成作用）的生物。绿色植物和某些可以进行光合作用的细菌（如蓝细菌）就是光能自养生物，而在海底热泉附近生存的细菌则属于化能自养生物。无法合成复杂有机物的生物则属于异养生物。显然，异养生物必须依靠自养生物才能生存，动物和人类都属于异养生物。海底热泉附近的巨型管虫也是异养生物，其所需的有机物来自于和它共生的细菌。

生命最初的样子

为了探寻生命的起源，让我们先回顾一下地球早期历史。目前，天文学研究表明，简单的有机分子（如甲烷）在宇宙中是广泛存在的，所以可以认为在原始地球上也已经积累了大量的此类物质。另外，那时候的地球大气中应该含有丰富的二氧化碳，但是不包含氧气。考虑到光合作用的复杂性，可以猜测，最初的生命很可能是利用化能自养模式生存的。也就是说，早期生命很可能具备利用二氧化碳或者甲烷合成各种复杂有机分子的能力。

那么，这里涉及一个重要问题—地点，即生命究竟是在哪里诞生的。虽然，我们听说过“生命起源于海洋”的说法，但是原始生命并不太可能起源于广阔大洋的浅层海水之中。因为巨量的流动的海水会迅速稀释各种分子，导致任何化学反应都难以发生。所以，早期生命必然起源于某些可以提供高浓度营养物质的地方。海底的热泉就是一个上佳候选地点。就像今天的海底热泉可以支持以化能合成作用为基础的生态系统，在亿万年前的地球上，此类生态系统也可能形成于海底各处，支持了最初的单细胞生物的生存。在生物进化出光合作用之前，地球上的生命可能都被局限在海底的热泉周围。

海底热泉不仅可能是早期生命的摇篮，也可能是地球上几次“雪球地球”事件中生命的避难所。研究表明，地球很可能在20多亿年前和5亿多年前发生过两次“雪球地球”事件，即冰川覆盖了全部地球表面。在这种情况下，地表很难有生物生存，导致光合作用非常稀缺，有可能地球上的大部分生物只能依靠海底热泉生存，直到地球二氧化碳浓度上升导致的温室效应使冰川融化为止。

当然，“雪球地球”是否发生过目前还有争议。但是，在我们的太阳系中，确实存在某些星球，其完全被冰层覆盖的地表下隐藏着海洋。最有名的是木星的卫星欧罗巴，又名木卫二。由于它与木星距离很近，木星引力导致的潮汐作用使其地壳摩擦挤压产生的热量可以融化深层的冰。所以，在其表面冰层下，欧罗巴拥有一个深达数万米的大洋。既然潮汐作用可以产生热量，那么在其海底是否也存在热泉呢？如果有热泉，在欧罗巴的海底是否可能有生命呢？这个问题我们目前无从回答，但是国际天文学界对欧罗巴的关注日益增加，很多国家已经计划发射探测器去那里一探究竟。

要直接探索数千米冰层下的外星海洋是非常困难的。一个比较可行的方法是探测偶然从冰层裂缝中喷射出来的喷流，并分析其化学成分。这方面的研究目前已经启动，其中进展最快的是土星的卫星—土卫二。与欧罗巴相似，它也拥有被数千米冰层覆盖的海洋。科学家对其喷流进行研究后发现，土卫二的海水中含有磷。由于磷是构成生命的重要元素，这一发现显然增加了土卫二上存在生命的可能性。

今天，深海热泉是大洋深处的生命绿洲；亿万年前，那里可能是地球早期生命的发源地；未来，科学家也许会在外星球的深海热泉周围发现生命的迹象。不过，生命真的起源于严酷的深海吗？现在，科学家还没有确定的答案。因为人类对深海的探索才刚刚开始，更精彩、更奇妙的发现还在探索之路的下一站等着我们。

【责任编辑】张小萌