挑战生命的极限

孙万儒

广袤的海面占据地球面积的70.8%，地球名副其实是“水球”。我们对于海洋孕育的生物所知极为有限，深海生物对于我们来说，更是谜一般的存在。

向海洋深处进发

这里海水深达数千米，甚至万米，海水压力随着水深每增加10米约增加1个标准大气压，在1万米的深渊，压力相当于1000个标准大气压；海水吸收阳光，海深200米以下几乎没有阳光；除个别海域水温较高外，深海水温平均为1～3℃，最低可达-1.8℃；海水中含有各种无机盐，盐度较高，在35‰左右，虽然各大洋因所处地理位置不同有所变化，但变化不大；海水的含氧量随深度加深而减少，通常500～1000米水深处含氧量最低，其上下水层含氧量均较高；海底的沉积物多为软泥和黏土，含有少量的有机物。在这样的极端环境中会有什么生物能够生存繁衍，是人们关心的问题。直到19世纪初，人们才开始关注深海生物的研究，但因研究条件所限，难以深入海洋深处，易误以为550米以下是无生命区，因此，相关研究进展缓慢。19世纪70年代，英国挑战者号获得了首批深海生物样品，证实深海存在生物。此后，欧美一些国家相继开展深海生物调查，20世纪60年代以来，随着深海科考技术和设备不断改进，如应用新的深潜器，人们可以到达10911米深海，采用水下电视摄像机、水中立体照相机、机械手对深海生物调查研究，包括深海环境以及深海生物的种群生态、生理、生化和适应机制等的研究不断取得进展。我国虽然在这方面开展研究较晚，但自行设计的蛟龙号深潜器已对7000多米的海洋深处进行科考，取得了大量的深海生物样品，推动了我国的相关研究。

极热环境下的顽强生命

1977年，美国伍兹霍尔海洋生物学实验室的阿尔文深潜器在太平洋加拉帕戈斯群岛东北300千米、水深2550米处的断裂带发现，在海底存在一些火山口，大量含有硫化物的液体从裂缝中喷出，形成浓密的黑色烟雾，人们称之为“黑烟囱”， 又称为海底热液口。虽然一个热液口区面积只有几百平方米，但却生存着密集的生物群落，它们是完全不依赖于光合作用而独立生存的生命体系，由微生物开始，包括嗜热的古菌、细菌，如硫酸还原菌、产甲烷菌。它们都是耐压、严格厌氧的异养菌，密度高达108～109个/毫升。还有大型生物，如长管虫、蠕虫、蛤类、贻贝类，还有蟹类、水母、藤壶等，共同组成了“黑暗食物链”。让生物学家惊讶的是这里的静水压超过1000个标准大气压，而生物量是附近深海环境中生物量的数万倍，这样的环境如何孕育出如此丰富的生物群落！

丹麦微生物生态学家罗尼·格鲁德和他领导的南丹麦大学研究团队在世界最大海沟——位于太平洋的马里亚纳海沟深约11000米的海底，发现生活在这里的微生物呈现出一派生机盎然的景象。在带回来的海底泥土样本中发现，每立方厘米平均含有1000万个微生物，这一数量是位于该海沟顶部高原收集到的泥土中微生物数量的10倍多。

而在黑烟囱口附近的海水温度高达350℃，周围的海水温度也在百十摄氏度以上，黑烟囱附近到处是火山喷发出的硫黄和硫化物。斯坦福大学科学家在这里发现一株古菌，最适合的生长温度为100℃，80℃以下即失活；德国科学家斯泰德在海底发现一族古菌，这种古菌能生活在110℃以上高温中，最适生长温度为98℃，温度降至84℃即停止生长；2004年，马萨诸塞州大学教授德瑞克·莱乌利从黑烟囱口分离一株菌，将其放入121℃的高压灭菌锅中，加热24个小时，不仅没有被杀死，细胞数目还增加了一倍。科学家还从深海2000～4000米处的黑烟囱体中分离出100多株能在130℃、600个标准大气压的环境下生长繁殖的超嗜热古菌，对它们的基因组测序后发现，它们可能起源于30亿年前。

生命的“热起源”假说

深海热液环境与地球早期环境类似，缺氧、存在各种还原性气体、高温，并保持着化学及温度梯度。对从中发现的它们超高温超高压微生物进行基因组测序，发现它们多处于进化树的根部，它们保存了地球上最古老的生物信息。因此这些极端微生物成为研究陆地生命起源的一个窗口。系统研究现代深海微生物基因组所蕴藏的信息，结合环境模拟来追溯形成基因组内源结构所必须的外在理化条件，与已有的地质记录相对比印证，可以为生命起源甚至早期地球环境演化的研究带来新的机遇，也可能为地球以外一些生命形式的存在提供参考。

近年来，生命的“热起源”假说成为生命起源的主流，但对此假说也有质疑，嗜热物种究竟是生命的祖先，还是在极端环境的压力下选择进化的结果？对极端嗜热微生物的研究将有助于对生命“热起源”假说的进一步认识。更有意义的发现是，古菌遗传信息传递方式与真核生物的极其相似，因而古菌很可能成为了解真核生物，甚至我们人类的遗传信息传递系统的有效模型。对它的研究，也有助于了解地球生命的限制条件，同时为研究其他星球的生命提供重要线索。

挑战寒冷极限

海洋深处既有高压热环境也有冷环境，热环境大部分是在海底火山口。而冷环境则是深海中，随着海洋深度的增加，水温不断降低。特别是在南北极存在大量冰山，科学家从南极东方湖3593米处冰芯分离得到42万年前的活细菌。美国路易斯安那州立大学布兰特·克里斯特纳和他的同事们采用了不沾染微生物的钻孔和取样技术，从南极冰原下的惠兰斯湖大约800米深处取样，证明在黑暗寒冷环境中，存在多样的生态系统。这些微生物中，有许多似乎从融冰和冰层下的岩石及沉积物中获得营养源。俄罗斯南极科学考察站的科学家也从3500米的冰层中取得冰芯，在严格的无菌条件下分离，发现了细菌、酵母、真菌和藻类，证明在低温环境存在嗜冷的微生物。

不论是热环境还是冷环境都生活着很多远古微生物。目前世界上已知的深海微生物有百万种以上，但是科学家现在真正能够有条件研究的也就只有万分之一。随着研究的深入，科学界对极端微生物的研究兴趣越来越浓厚。短短40年间，对极端微生物多样性的研究取得了很大进展。仅超嗜热菌就从1972年的两个种增加到目前的80多个种，其他各类极端微生物的种也有200多个。随着研究的深入和新研究方法的采用，微生物生存的环境条件极限也将不断地被改写。