地表之下的深处，生命起源的线索

发布时间：24年03月28日

编译苦山

2023年春天，科学家从大西洋海底之下取得了一批地幔岩，这一珍贵的发现有助于我们书写地球生命故事的第一章。

科学家希望通过研究地球地下环境中的化学成分——例如海底深处的岩石——来了解，是什么驱动了地球上最早的生命形式

1961年3月26日，临近午夜时分，一艘经过改装的海军驳船在太平洋上不安地摇晃着，深暗的海水拍打着它的船体。这艘船刚刚抵达眼下这个位置，此处距离下加利福尼亚半岛大约240公里，在与波涛汹涌的海洋抗争三日后，船员们不得不用沉重的链条将船上设备绑在甲板上。当时，小说家约翰 · 斯坦贝克（John Steinbeck）也在船上，后来，他在为《生活》杂志撰文时写道：“那仿佛一头失控的大象。”

而在岸上，关于此行目标的传言四起。一些人猜测他们是在寻找钻石或沉没的宝藏。其他人则怀疑他们是在寻找合适地点将导弹藏到海底。但是这个团队的目标甚至比最疯狂的传言更宏大。这个计划源于地质学家沃尔特 · 芒克（Walter Munk）位于美国拉霍亚的家中，始于一顿充满酒精的早餐：钻一个足够深的洞，深到足以穿透地球的地壳、抵达地幔。地幔是夹在地壳和地核之间的一层炽热岩石层。

如今，在这个被称为“莫霍计划”（Mohole）的项目过去62年后，科学家仍然未能成功地钻穿地壳的完整部分。但就在2023年春天，在拥有几十年历史的乔迪斯 · 决心号钻探船上，一个团队实现了仅次于此的事情：他们从大西洋海底一块地壳特别薄的区域取回了一批地幔岩。该地点位于一座被称为亚特兰蒂斯地块的海底山上，在那里，构造板块的缓慢移动将地幔岩块推到了更靠近海底地表的位置。

虽然地幔构成了我们星球的大部分，但它的岩石通常埋藏在地表以下数公里处，因此很难取得新鲜样本。但是2023年春天挖掘出来的那些地幔岩可以提供地球深处运作方式的线索，并帮助研究人员更好地理解对我们的世界至关重要的构造之精巧。

当海水遇到地幔岩时，一系列的化学反应会产生一种混合物，这种混合物能够产生点燃生命最初之火花所需的有机化合物。科学家已经在亚特兰蒂斯地块顶部的庞大地质都市“失落之城”的海底热泉系统中发现了无须微生物帮助即可产生小分子有机物的迹象。长期以来，一直有部分科学家推测，这样的环境可能孕育了地球上最早的生命形式。如今，该团队最近钻探的钻孔（位于海底以下超一公里深）似乎已经深入到了这个热泉系统跳动的心脏处。

2023年春天，苏珊·朗（右）联合领导了一支科考队，从海底下方取得了一批地幔岩

“这为我们打开了一扇通向充满可能性之世界的大门。”美国伍兹霍尔海洋研究所的生物地球化学家苏珊 · 朗（Susan Lang）表示。她是这次科考的领队之一。

已经有迹象表明，钻孔水中高浓度的氢气可能可用于推动有机合成。这间“天然实验室”有望帮助研究团队解开“失落之城”塔状热泉口里汩汩流动的“创生之汤”的起源之谜，让他们能够研究一个没有生命体的世界的有机化学过程——也就是生命存在之前或生命极为罕见时期的生命化学。在极端的地下环境中生存下来的少数微生物也可能为最初生命的生存之法提供线索，最终帮助科学家破译化合物转化为生物体的关键步骤。

建造失落之城

朗仍然记得大约二十年前的那一天。当时，她获得了登上首次详细研究失落之城海底热泉的科考船的机会。她激动得热泪盈眶。“我没征求任何人的意见就同意了。”朗说，那时她还是美国华盛顿大学的研究生。

她的热情反映了“失落之城”的革命性本质。2000年，科学家在亚特兰蒂斯号研究船上首次发现了失落之城里闪闪发光、半透明的热水柱。那时候，所有其他已知的海底热泉系统都是黑暗的，这是因为火山硫化物将浓密、冒烟的灼热流体喷射到海洋中，使得烟囱变黑。但是，失落之城的热泉口却是幽灵般的白色。

科学家很快发现，这种浅色调源于海水和亚特兰蒂斯地块内部岩石之间的反应。这座海底山比雷尼尔山稍高一些，主要由橄榄岩构成，而橄榄岩是上地幔的主要组成部分。这座山是由附近大西洋洋中脊的稳定移动形成的，北美板块和非洲板块在此处缓慢分离。这种运动使上地壳从上升山峰上剥离，露出了大片的橄榄岩核心。

地幔夹在地壳和地核之间，通常很难接近。但就在2023年春天，科学家钻进了海底的某个地幔岩靠近地表的地点

橄榄岩通常位于数千米厚的地壳之下。它在如此靠近地表的位置时并不稳定，因为海水会从这里渗入岩石内的裂缝。当这种情况发生时，橄榄岩中的主要成分——一种名为橄榄石的矿物——很容易与水分子发生反应，引发一系列称为蛇纹石化的化学反应。这个过程会使水变得高碱性，所以当裂缝中流出的液体与新鲜的海水混合时，浅色的矿物质沉淀，形成了失落之城那令人惊叹的尖顶状热泉，这些“尖顶”足有20层楼那么高。

然而，几十年来，蛇纹石化的另一个副产品——氢气——一直吸引着朗和其他科学家来到此处。在适当的条件下，氢气可以促进简单的化学反应，如将二氧化碳和水转化成微小的有机化合物，而不需要微生物的帮助（或称非生物反应）。持续的反应可以产生更大、更复杂的有机分子，也许还可以精心配制出恰到好处的成分组合——糖、脂肪、氨基酸——从而孕育出最早的生命形式。此外，氢气和小型有机物也可能为地球上最早的居民提供了食物。“氢气仿佛是一切的关键。”朗说。

在地球早期，这种气体可能更为常见，当时地表的矿物组成与今天不同，这使得蛇纹石化反应更为普遍。

朗和她的同事想要知道，在亚特兰蒂斯地块，哪些有机化合物可以在无微生物帮助的情况下形成，又有哪些微生物可能通过这种不同寻常的“地下自助餐”生存下来。研究的结果或许能够为最初生命形式的生存方式提供线索，也为这些远古微生物出现之前的化学性质提供头绪。

但是今天，无论水上还是水下，地球表面都有着丰富的生命，这使得研究人员很难识别那些在无生物帮助下形成的化合物。在失落之城尤为如此。“你可以看到那些烟囱上长满了黏糊糊的生物膜。”美国犹他大学的微生物学家、乔迪斯 · 决心号钻探船团队（简称乔迪斯团队）成员威廉 · 布雷泽尔顿（William Brazelton）说。

因此，研究人员将目光投向了海底以下的领域，那里微生物稀少、氧气稀缺，创造了类似早期地球的条件。正如布雷泽尔顿所说：“我们需要在字面含义上更‘深入’一些。”

寻找“天然实验室”

英国南安普敦大学的地球化学家、多次科学海洋钻探科考的资深成员达蒙 · 蒂格尔（Damon Teagle）表示，在20世纪60年代，“莫霍计划”标志着在“英雄科学”时代尝试探索地球未知深处的开端。

“莫霍计划”这个名字原本是对莫霍洛维奇不连续面（亦称莫霍面）所做的文字游戏——英文“Mohole”是“莫霍”（Moho）和“钻孔”（hole）组成的拼凑词——莫霍面界定了地壳和地幔的边界。在大陆下，莫霍面位于超过30公里的深处；在海底之下，它位于近7公里深。因此，以地幔为目标的团队通常选择从船上进行钻探。

“莫霍计划”的成果甚至远未能接近其目标，仅仅钻透了179米的沉积物和区区4米的海底岩石。然而，即使是这样的成果也揭示了有关地球的大量信息，包括海底沉积物下隐藏着相对年轻的火山岩这件事——这一发现后来成了板块构造论的一个关键证据。它还推动开发了科学家至今仍在使用的某些技术，包括2023年春天在乔迪斯 · 决心号上使用的一些技术。

几十年来，乔迪斯·决心号帮助科学家研究地球的海洋，以及海底之下的存在

亚特兰蒂斯地块位于大西洋洋中脊附近的海底，从此处相对容易接触到含有混合矿物的岩石，它们可能形成于地幔中

即便在今天，深海钻探仍然极具挑战性。一方面，在坚硬的岩石上钻孔会迅速磨损钻头，迫使操作者对其频繁更换，并且，他们需要从一艘在方圆数百乃至数千米水面上浮动的船上重新钻入同一个钻孔，其难度如同将一根针扔进针孔。更糟糕的是，2023年春天的科考开局并不利。当团队在钻第一个试验钻孔时，他们的钻头卡住了，为了防止船只永远锚定在亚特兰蒂斯地块，船员用炸药切断了连接。然后，让钻头得以多次重新进入钻孔的系统发生了部分的碎裂。

凭借一点创造力，他们最终在一个如今被称为U1601C的地点开始了钻探，该地点位于将近850米深的水下。就从那时起，否极泰来。

在大多数海底钻探科考中，进展是很缓慢的，每三个小时左右才能把岩芯提到甲板上。但是，乔迪斯团队一开始行动，就几乎每个小时都能往甲板上提取一次新岩芯。处理岩芯的科学家几乎跟不上进度，不知不觉中，钻头已经触及了地幔岩。

在这次科考之前，人们钻进蚀变地幔岩的最深距离是200米。但乔迪斯团队仅用了几天时间就走完了这段距离，最终钻到了1267.8米深、以橄榄岩为主的岩层。未能参与最近这次任务的蒂格尔如是评价：“这真是了不起。”

对于朗来说，最大的惊喜之一隐藏在钻孔深处。在取出最后一枚岩芯后，工作人员用清水冲洗了空洞，并任由天然流体和气体在72小时内缓慢地重新渗入。随后，他们收集了不同深度的钻孔水，将其分拆，并对它们进行了包括氢气分析在内的十几种化学试验。

本来，朗最多只期望能在地下找到微量的氢。但是取样位置最深的水样中含有极其大量的气体，以至于当它浮出水面时，管中形成了气泡，这种现象就类似当你打开一罐新鲜的苏打水时所发生的情况。

“我们都惊呆了，”朗回忆起她自己和布雷泽尔顿的反应时说，“我们激动得语无伦次。”

这些水中充满了氢气——这是驱动非生物反应所需的燃料。

构建生命基石的基石

科考结束六个多月后，科考队仍在处理大量样本——研究水的化学机理、识别微生物、鉴定岩石的特征等。“人们将对这些岩石进行一整套的元素分析。”这次科考的联合领队、英国利兹大学的地质学家安德鲁 · 麦凯格（Andrew McCaig）表示。

初步模型显示，钻孔底部附近的温度甚至可能达到122℃，这是目前已知的生命存在的极限（尽管有一些研究表明这个极限可能更高）。朗警告说，这些模型还需要证实，因为它们是基于钻探过程中被循环冷却水轻微压低的钻孔温度所得出的测量结果。然而，如果确认了条件果真如此极端，那么这一深度将使科学家能够在不受微生物影响的情况下研究促进生命的化学反应。

这对于研究生命起源的科学家来说将是重要的一步。“在今天的地球上，很难再见到非生物或前生物化学机制，因为如今生命占据了星球的主导地位，生命无处不在。”劳里 · 巴奇（Laurie Barge）说。她是美国宇航局喷气推进实验室的一名天体生物学家，但没有参与此次科考。

早期分析还表明，钻孔水中含有小分子有机酸——甲酸盐。甲酸盐是可以通过二氧化碳和氢气之间的非生物反应生成的最简单的化合物之一，它可能标志着早期地球上通往生命最初闪光的第一步。

“这是构建生命基石的原材料。”朗说。与甲酸盐进行的持续非生物反应可以产生更大的有机化合物，如氨基酸，而氨基酸可以串联成生命所必需的分子，如酶和其他蛋白质。

但亚特兰蒂斯地块的化学结构和化学机制中仍有许多部分模糊不清。钻孔深处的甲酸盐可能和附近浅层地下的甲酸盐一样，是在没有微生物帮助的情况下形成的，但这还需要更多的测试才能确定。水中还含有甲烷，一些科学家认为这种化合物对早期新陈代谢至关重要，还认为它可以通过与氢气的非生物反应生成。但是，失落之城的甲烷是如何形成的，这是另一个谜题。布雷泽尔顿说，这“既复杂又令人困惑”。

巴奇解释说，识别自然界中的非生物反应可以为未来在实验室中测试前生物化学的实验提供参考，研究人员可以通过它们调整参数，以模拟出更接近早期地球或其他世界的环境。“失落之城是一个非常特殊的地方。”她说。

寻找微生物

这次回收的几乎前所未有的巨量岩芯也将帮助科学家将水化学和岩石类型的变化与可能在地下勉强维生的少数微生物联系起来。研究微生物如何在地下资源稀缺的环境中生存（也许是通过消耗氢气和其他由非生物反应形成的化合物）可以帮助我们更清晰地了解早期生命。

布雷泽尔顿致力于寻找微生物用来将氢气和小分子有机化合物转化为能量的特定酶。布雷泽尔顿说：“整体的思路是，岩石中存在着化学反应，随后在某个时刻，这种化学反应变成了生命。”这些酶可能正是能够帮助研究人员逆转演化时钟、破译最早的新陈代谢起源的关键。

其他的工作则集中在培养岩石样本和试图捕捉深层微生物的行动上——上海交通大学负责这项工作的地质微生物学家王风平如此解释道。王风平研究地下生命已有近二十年，但她和其他深层生物圈的研究人员主要是在寻找隐藏在海洋沉积物中的微生物。“我们对岩石中的微生物知之甚少，”她说，“这是深层生物圈中最深刻的问题之一：坚硬的岩石里有什么？”