湖泊藏着多少地球秘密
2024-11-14 00:00李忠东
科学24小时 2024年11期
皮内尔湖：保存沉睡亿年的古菌
皮内尔湖位于美国路易斯安那州杰佛森岛，曾是鲶鱼等多种淡水鱼类的栖身之所，垂钓是当地居民最惬意的休闲方式之一。皮内尔湖水质优良，吸引了不少水上运动爱好者前来。然而，一次严重的工程操作失误，却改变了这一切。
皮内尔湖及其附近蕴藏着大量盐矿，采盐业成为当地最重要的收入来源。在盐和沉积岩之间长期存在的应力作用下，地下盐矿不断地形成一座座盐丘。它们穿透地层，形成断层和褶皱。在盐丘底部，常常伴有石油。1980年11月21日一大早，勘测石油的德士古公司的7名工程技术人员在皮内尔湖中架起钻机。因错误估算了开钻位置，钻头意外穿透了湖底盐矿第3层的顶部。霎时间，大量湖水涌入湖底的盐矿，湖面上形成了一个巨大的旋涡。工程技术人员原本打算挽救钻井平台，但发现它已经开始倾斜，只好选择逃生。46米高的井架瞬间消失在本来只有3米深的湖中。同时，湖水淹没了地下430米深处的矿洞，先后吞噬了11艘驳船、1艘拖船、无数的树木、35公顷的湖畔土地和一座建筑的一部分。
以往，皮内尔湖的水由朱红-特切盆地汇入，随后从皮内尔湖经德尔坎布雷运河流入朱红湾，然后进入墨西哥湾。此时，德尔坎布雷运河从一头往湖里灌水，从墨西哥湾远道而来的咸水也逆流而上，进入几乎已经空了的湖床，形成高达50米的临时大瀑布，成为路易斯安那州有记录以来最大的瀑布。湖水的大量涌入迫使湖底盐矿内的空气快速排出，被压缩的空气伴随涌入的湖水从主矿井喷涌而出，形成高达122米的间歇式泥浆喷泉。过了几天，压力才达到平衡。大量倒灌的咸水使皮内尔湖从淡水湖变成了咸水湖，深度也增至60米，成为路易斯安那州最深的湖泊。
1985年，路易斯安那州新奥尔良大学的生物学教授罗素·弗里兰带领研究团队，进入皮内尔湖收集湖底部分废弃盐矿的水样。此外，他们还在俄克拉何马州的两个盐卤公司收集了水样，然后对这些样品中的微生物组成进行分析。经过分离培养，研究人员从中发现了几种极端嗜盐微生物。
广盐性细菌常见于地下盐水中，是一种能在盐度大幅变化的水域中生存的细菌，它们会随着雨水进入地层，并在穿越地层的过程中，逐渐适应不断攀升的盐度。然而，这种极端嗜盐微生物至少要在20%的盐水中才能存活，最佳的生存盐度为25%～30%，如此高的盐度在地下盐水中极为罕见。那么，皮内尔湖里的广盐性细菌是从哪儿来的呢？
研究人员首先想到的可能性，是极端嗜盐微生物可能原本就生活在皮内尔湖的湖水和渗透进地层的雨水中，并随之进入矿井和地层。但实验结果表明，这种极端嗜盐微生物在盐分低于15%的水中会直接裂解，无法存活。此外，他们检测的采自俄克拉何马州的两个样品，取自同一个盆地的不同地层（采样点相距不到400米），水源也都来自渗透进地层的雨水，但是盐度不同，一份为25%，另一份为8%，但只在盐度较高的样本中检测到这种极端嗜盐微生物。
团队成员考虑到这些水样的采样点是与外界直接连通的，于是提出了第二种可能性：这种极端嗜盐微生物可能是通过管道或矿井等途径从地表进入。但他们从未在其他任何高盐度湖泊中检测到这类微生物。并且，皮内尔湖地区雨量丰富，地质和地形条件也不适合高盐环境形成，因此这类微生物似乎无法在附近的地表存在。
既然如此，那么是否存在第三种可能性：湖中的这种极端嗜盐微生物原本只是普通细菌，后来才演化出极端嗜盐的特殊能力呢？从分子生物学角度来看，极端嗜盐微生物与普通细菌的差异非常大，很难通过一系列突变进行演化。况且，从皮内尔湖水注入盐矿，到弗里兰研究团队采样，时间间隔不过5年，演化不可能如此迅速。
在排除了上述三种可能性后，团队成员普遍认为，唯一合理的解释是这些极端嗜盐微生物原本就存活于盐矿中，在湖水涌入或雨水渗入地下后，随着晶体的溶解逐渐苏醒。如果这个看法能够成立，那么就表明这些极端嗜盐微生物早在岩盐晶体形成时就已经存在。皮内尔湖湖底的盐来自早白垩世，而俄克拉何马州盆地两处采样的地层分别距今1亿和2.5亿年，由此可见，它们很可能已经以这种形式存活了数亿年。
越来越多的研究表明，微生物可以长期存活于矿物晶体中。例如，2000年，弗里兰教授从约2.5亿年前的二叠纪地层的流体包裹体中分离培养出了一株全新的芽孢杆菌。2022年的一项研究显示，在澳大利亚中部的新元古代地层中蛰伏着距今8.3亿年的微生物。此外，还有一些科学家在2022年发现了一种别名为“柯南细菌”的抗辐射奇异球菌，竟然能在地表以下10米的冷冻干燥条件下蛰伏2.8亿年之久。
为了纪念科学家劳伦斯·霍赫斯坦在极端嗜盐微生物研究方面所作的贡献，弗里兰研究团队把从皮内尔湖底盐矿分离得到的“杰佛森岛1号”古菌命名为“霍赫斯坦的盐红菌”，将其划定为盐红菌属的一个新物种。他们期待，随着科技的发展和研究的深入，或许会有越来越多与恐龙同时代（甚至更早）的古菌穿越时空与我们相见。
沃斯托克湖：生活着前所未见的微生物群
南极洲是地球上最遥远的大陆之一，由大陆、陆缘冰和岛屿组成，总面积超过1400万平方千米，其中大陆面积1239.3万平方千米，陆缘冰面积158.2万平方千米，岛屿面积7.6万平方千米。这里的天气条件极端恶劣，被冰雪覆盖的区域超过95%。南极洲是地球上非常神秘的区域，在很长一段时间内，人们并不知晓厚度达到4000米的冰层之下到底隐藏着什么。
1957年，苏联科学家在南极洲建立了沃斯托克科考站。1960年，苏联南极探险队的地理学家安德烈·卡皮查在乘坐飞机飞越沃斯托克地区上空时，发现冰原上有一个巨大的平坦区域。他认为这块冰原之下有一个湖存在，但当时这个观点并没有引起人们的重视。时间到了1973年，英国有研究者声称，在该地区发现了巨大的湖。1996年，俄罗斯和英国的科学家通过雷达、镭射高度计和重力测量仪等工具进行分析，最终确认了沃斯托克湖的存在。在沃斯托克湖存在被证实5年后，两国科学家联合行动，绘制出了沃斯托克湖的基本轮廓。2005年5月，科学家又发现沃斯托克湖的中央有座岛。
从1991年开始，直到2012年，俄罗斯科考队足足用了21年的时间才将覆盖在沃斯托克湖上的冰层钻透，并尽可能做到了“无污染”钻探。2012年2月，俄罗斯科考队已经钻探到了冰下3769米的位置，距离冰下湖已近在咫尺。但因压力等作用，最后几十米冰层的结构异常坚硬难“钻”。所幸后来在“龟速”钻探下，成功将冰层打通，湖水在巨大的压力下直接喷向几百米的高空。
沃斯托克湖，靠近俄罗斯沃斯托克科考站的下方。它的面积约为 1.4万平方千米，深度至少为100 米，是南极洲140多个冰下湖中水体最大的，也是世界上最大的冰下湖。沃斯托克湖的海拔为3500米，与南极海岸线的直线距离有1500千米。
研究证实，沃斯托克湖拥有大量的液态水（约5400立方千米），是地球上最大的超纯净水系之一，水质比经过两层净化的蒸馏水还要干净得多。沃斯托克湖可能是地球上水量变动最小的湖泊。这些湖水为未冻结的淡水，平均水温为-3°C，被封存在厚实的冰冠下至少百万年。
科学家们认为，湖水在凝固点以下还能保持液态，可能是三种因素共同作用造成的。一是来自地心的热力使湖底的温度上升，进而使湖水维持液态；二是厚重的冰层造成的巨大压力使湖水的凝固点下降；三是厚实的冰层使湖水与南极地表寒冷的空气隔绝。
在从沃斯托克湖获取的样本中，最具有研究意义的是湖中的生物群，包括细菌、真菌和原核生物，甚至还有软体动物。科研团队在采集的样本中发现了3507个基因序列，其中94%来自细菌、6%属于真核生物。这些生物群的DNA排列顺序明显异于地球现存的生物种群，其中许多DNA片段甚至是从未见过的，不属于地球上的任何一个物种，极有可能是已经灭绝了的生物的基因。
克劳福德湖：留下人类改变地球的证据
克劳福德湖是加拿大安大略省一个小而深的湖泊，虽然面积仅为2.4公顷，但水深近24米。由于其形状独特，底部与表面的湖水不会混合，除了沉入湖底的物质，湖底几乎与世隔绝。那里淤泥层层叠叠，留存了过去几十年来人类活动改变地球的证据，可以按年份为分析人类活动产生的影响提供样本。
2023年4月，为了提取湖中的分层沉积物，加拿大布罗克大学的地球科学教授弗朗辛·麦卡锡领导的研究团队乘坐木筏来到湖面上。他们精心设计了一种“冷冻取芯器”，取芯器长长的铝制楔子里装满了酒精和干冰的混合物。他们将取芯器悬挂在三脚架上，通过木筏上的一个洞将其沉入，穿过湖水到达湖底，最后沉入湖底沉积物中。大约40分钟后，取芯器表面就冻结了厚厚一层湖底沉积物。研究人员拉回取芯器，将冻结在取芯器表面的湖底沉积物像切蛋糕一样切下来，这样就完成了取样。
对此，麦卡锡介绍道，人类活动的一切秘密都隐藏在不同层次的湖底沉积物的化学和物理构成中。最底层的人类印记由当地印第安人留下，这一“土著时期”超过2个世纪，该时期的沉积物中包括农作物的花粉、鹅粪等。大约在16世纪初，“土著时期”消失了，之后的沉积物显示欧洲人活动的影响力越来越大。例如，随着人们砍伐树木，白松花粉数量减少。在1950年前后，世界到达了一个临界点，最明显的变化是放射性钚的激增。这种元素很少在地球上天然存在，只能来自发生在数千英里之外的核武器试验。整个19世纪和20世纪，沉积物中开始出现燃烧煤和石油的副产品，如微小的黑色飞灰颗粒、泥浆中铜和铅等重金属含量显著增加。
麦卡锡指出，从1950年前后开始，克劳福德湖就有多种明显的信号表明，人类的影响压倒了地球系统。到今天，人类短短70多年的活动带给地球的变化比此前7000年的总和还要大。从来没有一个物种能够对地球造成如此巨大的影响。虽然同样的证据也出现在地球其他地方的泥炭沼泽、海洋盆地、珊瑚礁的骨架，甚至南极洲的冰层，但是克劳福德湖保存完好的年度沉积物记录的证据最具说服力，令人惊叹。
研究团队成员建议，把克劳福德湖视作一枚翻开地质年代新篇章的“金钉子”，标志着地球已经进入“人类世”。 他们计划将这一证据和建议提交给国际地质科学联合会各级机构表决。
