这种细菌休眠了2.5亿年,科学家成功地把它催醒了

这种细菌休眠了2.5亿年,科学家成功地把它催醒了

我们从小就知道万物生长靠太阳,这样的理念被视为颠扑不破的真理,然而深海黑烟囱和热液生物群的发现给了我们一个新的认识,因为在大洋深处还有一套黑暗生物链。它们不依靠光合作用,也不是以植物作为食物链的基础,而是靠着地热在黑暗酷热的环境里面,通过化学合成有机质这种途径来进行营养,形成一套系统,极大地丰富了我们对整个地球生物圈的认识。


本文来自微信公众号:一席(yixiclub),作者:冯伟民,南京古生物博物馆馆长,虎嗅获授权发表。


黑暗生物群与生命起源


大家晚上好,我叫冯伟民,来自中国科学院南京地质古生物研究所。我是一位古生物学家,但是我今天要花一定时间来跟大家解读一下黑暗生物群究竟是怎么回事。

 

大家或许会觉得奇怪,一个古生物学家怎么会与现代生物学的重要发现连在一起。其实很简单,因为生命起源是我们全人类共同关注的问题:我们从哪里来、在什么时间、通过什么途径、在什么地方出现的,黑暗生物群实际上提供了很多信息。

 

先谈一下黑暗生物群是怎么回事。自古以来,人类一直以为大洋深处是黑暗和死寂的。19世纪中叶的时候,英国生物权威向世界宣布大洋600米以下水体停滞、缺氧,是生物的沙漠之地。

 

一直到上世纪60年代,人们仍然认为大洋深处生物非常稀少。但是到了80年代,这样的观念得到了很大的改变,因为美国科学家采用现代采样技术,在深达2000米的海水中,在20平方米的样本里发现了800个物种,个体数量超过了9万个。由此发现,深海海底实际上就像热带雨林,生物的多样性非常高。

 

当然上个世纪生物学界最伟大的发现就是深海黑烟囱。这还要回溯到上个世纪70年代,也就是1977年和1979年,美国科学考察艇阿尔文号两次深潜到东太平洋海底之下的深处,带来了惊人的发现。



当它深潜到海底的时候,发现海水变热了。因为在我们通常的认识当中,海水越深水体越冷,因为物理学的知识告知,冷水比重大,暖水比重小,于是暖水应该处在上层。

 

但当阿尔文号潜到海底一测温度,发现海底温度达到了8度。拿探照灯对着寂静黑暗的海底一照,这一照可不得了,因为它发现海底到处弥漫着浓浓的黑烟,到处矗立着一根根黑烟囱。深海黑烟囱由此发现。



这个黑烟囱到底是怎么回事呢?假设我们把占地球表面71%的大洋海水掀掉,就会惊讶地发现大洋海底奇妙的地理地貌景观:海底山脉一共延绵6万公里,分布在各大洋,海底山脉的中央是中央裂谷,大量来自地幔的岩浆就通过中央裂谷喷涌而出,形成了新的洋壳。

 

随着不断地涌出,先形成的洋壳被推往两侧,最终到达大陆的边缘,沿着俯冲带消失下去。因为大陆岩石圈的比重较轻,而大洋的岩石圈较重,所以到了俯冲带,大洋板块就俯冲在大陆板块之下消失了。

 


现在我们已知的大洋板块最古老的年龄不会超过2亿年,而新生的大洋不断地在大洋裂谷中产生出来。无论是大洋裂谷还是深海海部,都有大量的热液现象出现,也就是说这些热液现象形成了黑烟囱。

 


黑烟囱是怎么形成的呢?

 

当海水沿着中央大洋裂谷渗透到海底深处,最深可达五六公里,冰凉的海水、热液、地下地幔物质的岩浆搅合在一起,带着大量硫化物,比如硫化铜、硫化锌、硫化铅到达海底表面,与海水再次结合发生沉淀、堆积,形成黑烟囱。黑烟囱有时候生长很快,可以达到每天30厘米。这就是黑烟囱的来历。

 

科学家对黑烟囱的壳壁进行取样,在电子显微镜下发现了密密麻麻的硫细菌。这些硫细菌都是通过热液口喷涌而出,散溢到海水当中,甚至钻到生物体内去,成为热液生物群主要的营养来源。




这就带来了一个大发现,海底不仅有黑烟囱,还有热液生物群。

 

深海热液生物群的发现极大地拓展了我们对海洋生命世界的认识,许多科学家为此投入了长期的广泛深入的研究。他们发现热液生物群生物的密度、丰富度以及各种微生物的代谢的多样性是非常高的,相对周围的海区可以高达一万至十万倍。

 

它是由大量的细菌、古菌、病毒、底栖生物和浮游生物组成。在宏体生物,也就是我们肉眼看见的生物里面,包括了大量的鱼类、虾类、蟹类、腹足类、双壳类、蔓足类等等。

 

在深海往往出现一种现象,就是个体会变大,例如海底表面的白蛤,一种双壳类动物,它们可以有10尺大,这些蛤类动物的体内共生着很多细菌,同时它还会摄取海水里的细菌作为营养。




这是没有眼睛的热水虾,它大量地附寄在黑烟囱的壳壁上。它背部有一个感应点,可以窥视黑暗的世界。它的体内并没有共生的细菌,但是它的体表有寄生的细菌。

 



这是鱼类,它的体内同样附寄着大量的硫细菌。

 


这是一种管水母。




最有意思最奇特最让人好奇的,就是这些管状的蠕虫。它就像一根根棍子,有的人形容它像蛇一样。它是底栖的生物,附沉在海底。

 

红色的部位是一个呼吸器官。但是经过解剖学的研究发现,它并没有消化系统,也就是说它没有口也没有肛门,但它体内充满着硫细菌。



这就非常有意思了,为什么这些生物跟地表上的形态这么像呢?比如说像蛤类、虾类都比较像,但是它们的营养来源却不一样。

 

刚才说到它们体内充满了硫细菌,而硫化氢对于一般生物来讲,它的毒性不亚于氢化物,但这些生物活得非常滋润。为什么会赋存在这里?

 

科学家经过进一步的研究,发现管状蠕虫里面有一种血红素。它不仅能携带氧气,而且能够对硫化氢的有毒成分发挥极大的消毒作用和吸附作用,并且把硫化氢携带到硫细菌所寄生的器官里面,因此出淤泥而不染,反而通过硫细菌制造营养提供给其他生物,非常有意思。

 

对单个的黑烟囱而言,由于存在化学浓度的梯度、温度的梯度,生物往往围绕着黑烟囱呈环状分布。

 

这些细菌和古细菌主要分布在60度到110度这么一个温度范围里面。特别是古细菌,它分布的温度超过了90度,蛋白质在这个温度恐怕都已经固化了,但是在深海,对这些古细菌、细菌来讲却是它最佳的生存范围。


 


在20度到40度主要分布着多毛类的蠕虫动物;


 


在2度到15度之间分布着大量宏体的生物,包括管状蠕虫、双壳类、腹足类、鱼类、虾类、蟹类等等。这是在海底拍摄的管状蠕虫动态的场景。




我们发现热液生物群在全世界广泛分布,不仅在大洋中脊、弧后盆地中,而且在冲绳海槽、地中海里都发现了,在台湾的东北部龟山岛下面的海区也发现了热液活动,发现了大量的热液生物。


龟山岛

 

这些热液生物以及它们的黑烟囱,在世界各地的分布有一种非常有趣的现象,那就是它会随着温度的不同和热液里面的矿物质的不同,呈现颜色各异的烟囱体。

 



深海的黑暗生物群除了热液生物群以外,还有一个冷泉生物群。冷泉生物群是怎么回事呢?

 

海底有天然气的化合物,也就是可燃冰,可燃冰在报纸上经常出现,大家应该有一定的了解,因为它是一种清洁能源,代表了未来的能源。特别是近年来,我们国家在南海已经成功地采集了可燃冰,已经成为我们国家未来战略能源的一个支柱。在地底下升温释放减压这个过程当中,会出现大量的甲烷,于是在海洋里面就会形成一种甲烷柱,也就是冷泉。




通过对冷泉里的液体的营养索取,会形成一套冷泉生物群,包括管状蠕虫、腹足类、双壳类以及其他的微生物等等。

 

我们现在都是生活在有光地区,每天呼吸着新鲜的空气,我们从小就知道万物生长靠太阳,这样的理念被视为颠扑不破的真理。然而深海黑烟囱和热液生物群、冷泉生物群的发现,给了我们一个新的认识。

 

因为在大洋深处不仅有有光带的生物链,还有一套黑暗生物链。它们不依靠光合作用,也不是以植物作为食物链的基础,而是靠着地热在黑暗酷热的环境里面,通过化学合成有机质这种途径来进行营养,形成一套系统,极大地丰富了我们对整个地球生物圈的认识。

 


刚才讲到了海底地下是漏的,这也就告诉我们海洋生物群整个生物生态系统的基础,是来自于地底下的深部。现在科学家已经发现整个地球活的生物有30%在海底底下。


有关深部生物圈的认识实际上是有个过程。上个世纪初的时候,有科学家就推测地下深处的底层水含有硫酸根细菌。上个世纪60年代,前苏联进行大陆超级钻探,在11600米的深处发现了厌氧的细菌,当然也有人认为这可能是从地表带下去的。

 

后来80年代的时候,美国为了检验深埋在地底下的核燃料是否安全,制定了一个地下科学计划,结果在地底深达2800米的地方发现了活的细菌。到了90年代,随着石油勘探和大洋钻探蓬勃兴起,科学家在地底下的各种岩石类型当中,甚至在玄武岩这种火山岩的玻璃碎屑里面也发现了微生物。


 


这让科学界大为惊讶。因为在我们常规的认识中,这么深的地下,这些玄武岩质的玻璃碎屑里怎么可能有生命现象存在呢?难以想象。现在已经发现,海底地下深部的生物圈的含量占到了地球的30%,原核生物有55%到85%是在地下的深部生物圈里面。全球洋底以下的微生物量相当于地球表面生物群的1/10,地底下的生物含量非常高,完全是一套微生物的系统。



极端环境的生命现象,可以说是出现在各种环境当中,不仅分布在火山、分布在热泉、分布在海底或者海底之下。

 

这是美国的黄石公园,右边是我们国家云南腾冲的热泉。在这两个热泉里面,科学家都发现了大量的嗜热微生物。美国黄石公园在这方面研究得比较详细,在60度70度这样的温度范围里面都有不一样的微生物的发现。


图片源自图虫创意


甚至在南极冰盖的冰层下面,也发现了各种各样的微生物。在雨雪里面、在大气里面,都可以发现细菌在传播,这些细菌对雨水的形成也有一定的影响。总而言之地球之大,生命现象无处不在,我们现在所认知的生命现象只是生物圈里面的一部分。

 

刚才几次都讲到了古细菌的问题,说它是嗜热的一种微生物。它非常特别,尤其是跟生命的起源密切相关。这些古细菌普遍有一种现象就是新陈代谢非常缓慢,能量的消耗非常微弱,长期处于一种睡眠状态。因此带来一个非常有意思的结果就是,它们非常高寿。

 

高寿到什么程度?我们都知道有句耳熟能详的话:万寿无疆。但是对这些古细菌而言,万寿无疆真是太小意思了,在几千万年乃至亿万年后,它们仍然能活着。


让我们看看科学家的发现。这是4000万年前琥珀里面附寄的昆虫所寄生的细菌,科学家通过科学的手段培育了以后,居然让昆虫里面的细菌活了过来,也就是说这个细菌有4000万岁。


 


更惊讶的是,在美国新墨西哥州地下600米处的深处结晶盐里面,附存了一种休眠状态的细菌,科学家也成功地把它催醒了,也就是说它整整生存了2.5亿年。这个微生物在古生代二叠纪的时候就出现了,到现在它竟然还能够活过来。




说了这么多,跟生命的起源究竟有什么关系呢?经过古生物学家的研究,发现了距今38亿年前的化学化石,发现了35亿年前的实体化石,当然也是非常微小的原核生命类的藻丝体。

 

从化石的角度,我们已经可以把生命的起源追溯到那么久远,因为地球46亿年历史,经过了差不多8亿年最后产生了生命。地球刚刚形成的时候,是一种高温高热的还原状态,这跟我们深海海底的黑烟囱热液生物群的环境是非常相似的,所以两者之间有非常密切的关系。

 

在达尔文1871年给他朋友写的信里面,专门讲到了生命起源的一种可能性。他认为是发生在一个小小的暖水池里面,也就是后来各种版本的“原始汤”里面。这里面有各种各样的盐类分子、无机分子,它们在闪电、各种宇宙射线等能量的激发下形成了蛋白质,合成了有机小分子。

 

这样的物质对于现在来讲存在的可能性不大。因为它们一旦出现,就会被现在的生物吃掉或吸附掉,但是在生命出现之前就不存在这个问题。这其实也很好理解,因为地球早期是一种还原环境,而不是氧化环境,一旦有机质形成,它就会很容易的被保存下来,而不会被氧化。

 

日久累积下来,特别是经过亿万年的积累,“原始汤”里面的有机物质非常地丰富,会发生化学的变化,由此产生有机大分子,产生多分子体系,最终产生活的细胞。当细胞诞生在这个地球上以后,就进入了生物演化阶段。

 

至于生命是如何形成的,有不同的观点。有的认为是宇宙碰撞出来的,也有的认为是在地球表面自然形成的。科学家在50年代做过一个非常有名的实验,就是美国的米勒实验。他通过一个试管来模拟早期地球环境,进行闪电方面的激发,一周以后出现了有机小分子。




我国的科学家在生物分子的合成方面、有机物的合成方面,也做了很大的贡献,例如胰岛素等等。但遗憾的是科学实验虽然已经实现了从无机到有机小分子,有机小分子到有机大分子的转换合成,但是从有机大分子到最后生命细胞的形成、生命体最初的形成还没有实现,还需要靠科学界的不懈努力。

 

刚才讲了许多有关于黑烟囱的故事,地下海底的黑烟囱给了生命起源探究很重要的启示。为什么呢?首先,海底黑烟囱的环境是高温高压还原无氧的状态,跟早期地球环境非常相似。

 

其次,它存在一个最大的温度梯度、最大的pH梯度以及Eh梯度,也就是说有形成生命诞生的各种物理化学的条件。或许当热液喷出海底地表的时候,它的化学浓度形成了一个极大的梯度变化。




奇迹也许就出现在黑烟囱的壳壁上。德国科学家在1980年的时候就提出了铁硫世界这么一个生命起源的假说。他认为生命的出现很可能就在热液口附近,很可能在黑烟囱的壳壁上先进行了一种铁硫世界的化学变化,然后是生命的现象变化。

 

当然这样的假说是不是真的,我们还需要几代科学家更多的观察、分析和研究。但是无论怎么样,深海黑烟囱包括其他环境下的生命现象都告诉我们,我们目前所知的所了解的,甚至是光学显微镜下所看到的生命现象,只是整个生命世界的一部分,只是它的上层。

 

如果有兴趣的话大家可以去看一下生命之树,5.2亿年以来,这个生命之树枝繁叶茂,因此我们对地球生命的研究还有很长的路要走。

 

当然科学家的目光不仅仅局限于地球所处的各种类型的极端环境下的生命现象,也将视域伸到了外太空。近来在《科学》杂志上有一篇报道,讲述了在木卫二这个星球上发现的非常有趣的现象。

 

这个星球整个被海洋包围,根据它的大气所反映的气体现象推测它的洋底存在热液作用,也就是说有可能存在通过化学能制造有机物的这么一套生命体系,跟我们地球的深海热液系统非常相似。

 

由此就有一个非常有趣的念头,这些深海的微生物是不是隐含着地球或者外星体生命诞生的一种信息?是否包含着星际之间生命交换的一种密码?我们在期待着更多的发现。

 

非常可喜的是,我们国家的科学家正在奋起直追后来居上。最近五年来,蛟龙号深潜艇已经上百次深潜到世界大洋的各地,对洋中脊、海沟、海盆和海岭等各种各样的海底地貌进行了探测,在热液区、冷泉区发现了大量的新颖的生物种类。




同时中国在大陆也进行了超级钻探,也取得了一定的成果,在地下不到三四千米的深处发现了微生物。




我们有理由相信,随着我们国家经济实力的不断增强,科技力量的不断增加,科技装备的不断强大,中国科学家一定会有更多的新发现、更多的新成果,为我们全人类认知地球生命现象做出应有的贡献。

 

谢谢。 


本文来自微信公众号:一席(yixiclub),作者:冯伟民,南京古生物博物馆馆长

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