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Life in Extreme Environments

地球存在一個深部生物圈嗎?Does the Earth have a deep biosphere?
19/10/2014
圖1. 磁鐵礦的晶體結構。磁鐵的結構式可以寫成(Fe3+)A[Fe3+Fe2+]BO4。A位為圖中的四面體,B位為圖中的八面體結構。

高德是美國康奈爾大學的一個卓有成效的天體物理學家。他對自然界發生的事情有著非常濃厚的興趣和超人的直覺。1991年在瑞典的一個油井上他看到了一個令他大惑不解的事情。瑞典人在打一個深達6公里的勘探油井時,管道被一些性質未知的黑色物質所堵塞。後來高德以及其瑞典同事進一步研究發現它是只有幾十納米的顆粒極小的磁鐵礦,這些磁鐵礦的組成為Fe3O4。地質學家們知道這些磁鐵礦不是岩石中原本就有的成分,因為岩漿岩在高溫下形成,其中的磁鐵礦往往具有更大的粒徑。高德的直覺是,這些磁鐵礦可能是生物成因的。因此他大膽推測地球的深部應該生存著不少的微生物,它們依靠那裡極低的礦物能量、碳和熱能繁衍。高德的直覺是正確的,在一些深入工作的基礎上,他很快就提出了“深的,熱的生物圈”的概念。並根據他對生命存在的基本的物理-化學條件制約的理解寫了一本書,描述了深部熱的生物圈的應有的特徵[1]。這個假說在隨後的幾年裡得到了越來越多的支持。1994年瑞典的科學家們在那個油井裡分離出了一株嗜高溫的鐵還原細菌,正是它將三價鐵顆粒轉化成了磁鐵礦[2]。1997年美國能源部的科學家聯合幾個大學和科研機構在美國的西佛吉尼亞和科羅拉多兩個相距超過1000公里的地方的深部同時發現了相同種類的微生物[3][圖2]。此後在俄羅斯西伯利亞的深部油儲,中國東部的大陸超深鑽的深部樣品中都發現了相似的微生物。所有這些發現都指向地球大陸內部1000米到3000米的深部。鑒於探測深部生物圈的重大意義,美國的國家航空航太管理局資助了一個由普林斯頓大學、印第安那大學、田納西大學和橡樹嶺國家實驗室聯合的專案。其主要目標就是從地球化學和地質微生物學的角度,研究深部環境中的微生物通過何種途徑或機制來獲得深部岩石中極其微量的能量和碳而得以維持其生存和繁衍。由於極其高昂的探測成本以及一些尚未解決的技術問題,比如鑽取深部樣品如何避免表面生物圈中基因材料的污染等,我們對深部生物圈的瞭解目前還只是冰山一角。

嗜热细菌Thermoanaerobacter spp. strain TOR39.
圖2. 嗜熱細菌Thermoanaerobacter spp. strain TOR39. 該株細菌從800-2200米的深部地下分離出來。它可以耐受高至75ºC的高溫。圖中細胞的周圍是環境中的三價鐵被還原產生的磁鐵礦。
根據地球化學和熱力學的估計,地球或其它天體如火星、歐羅巴等的岩石會與熱液相互作用而產生足夠的氫氣;而氫氣可以驅動一個化能自養為主的,比如以產甲烷菌為主的生態系統[4]。在地球上的沉積環境中,如沉積岩、喀斯特地區、含油的沉積物等都有毫無爭議的證據證明有微生物生命的存在。超基性岩石在非常高的溫度下結晶,含有很少的空隙,因此不是駐留生命的最好選擇。但超基性岩石含較高的還原狀態的多價態金屬,它們與熱液反應很容易釋放出儲能氣體-氫氣。基性岩石比如玄武岩含還原狀態的金屬較少,但其孔隙較多,比較容易與水反應。1990年代中期,地球化學家在美國華盛頓州的哥倫比亞溢流玄武岩高壓中打了個1200米的鑽孔,經過分析後發現在玄武岩的深部可能有一個完全由地球深部能量,比如氫氣作為能源,以溶解的無機碳為碳源的微生物生態系統[5]。如果這個結果是可靠的,單是這個溢流玄武岩的深部就有可觀的生物量,因為它的厚度達3公里而面積達30萬平方公里。為了驗證上述結果,微生物學家還和地質學家聯合在愛達荷州的一個叫李迪的熱泉的200米的地下也檢出了微生物,並確認了微生物不僅能夠忍受那裡的高溫、高壓、貧碳和缺乏能量物質,而且是一個完全由地球深部的能量和碳源支撐的生態系統。科學家們根據從岩石中提取的去氧核糖核酸的分析結果發現那裡90%以上的生物是依賴氫氣能量並且產甲烷的細菌。那麼生物到底可以在多深的地下生存呢?近幾年的研究顯示有些微生物在120ºC的高溫下仍然能夠存活。如果根據地球增溫梯度換算的話,這個深部生物圈應該可以達到4公里或更深。生物學家估計地球生命能夠承受的溫度上限在150ºC左右,也就是大約五公里的深部地殼可能還會有生命存在。當溫度更高時,構成生命的極其重要物質如蛋白質將失去其生化活性。根據簡單的估算,生活在地表以下生物的生物量,比如其所擁有的生物碳的總量竟然與地球表面,如大陸、海洋和大氣中所有的生物的生物量相當[1]。這表明在地球上有一半的生物根本不需要太陽的照耀!其它即使在地表的生物圈中也有相當比例的生物根本不依賴太陽能,比如在廣袤的海底、河流或湖泊的沉積物中有大量的微生物直接從地質環境中的化學物質的氧化-還原過程中獲得能量。那麼這個深部生物圈是怎樣形成的呢? 一個直觀的看法是,這些深部生物圈的生物都是從地球表面的生物圈進到深部去的。微生物學家們發現,有一些深部的微生物確實是從地表經由各種地質過程被帶到深部,並最終滯留下來,經過漫長的演化,逐漸適應那裡的惡劣環境。地表水攜帶的微生物可以經由岩石裂隙深入達10公里的地殼。但事實也不完全如此。比如分析發現一些深部的微生物與其所處地表的微生物具有相當遠的親緣關係,卻與千里之外的深部海洋中的一些微生物具有較近的演化聯繫。這是怎麼一回事呢?現在還沒有一個明確的答案,但一個可能的解釋是,這些深部的微生物在某個遙遠的過去當海陸分離之時共處于一個海洋之中而具有相同的起源。後來由於陸殼的形成和抬升,部分微生物被困在大陸地殼中並逐漸地適應了深部地殼的高溫、高壓和沒有陽光的環境。比如,美國西佛吉尼亞的深部分離出來的可以生成納米磁鐵礦的嗜熱微生物估計是在一億四千萬年前的沉積過程中被困在沉積物中而其所在的沉積物又隨著局部地殼的沉陷而逐漸深入到超過2000米的深部[3]。深部生物圈的發現極大地鼓舞了科學家找到地球以外生命的信心。因為這表明,像火星,或其他太陽系以外的行星,即使其表面極其寒冷而不適合生物的生存,隨著地溫的增加,其深部總會有一個適合生物生存的條件。深部生物圈的存在表明地球可以逃過那些可能將地表生物完全毀滅的宇宙事件。鑒於此,在38.5億年的變沉積岩中,甚至在42億年以前的岩石中發現的具有生物碳同位素特徵的石墨有沒有可能是更早的,深部的生命造成的呢?

 

文章來源:李一良博士,香港大學

參考資料:

[1] GOLD T. The deep hot biosphere. Copernicus Books, Springer-Verlag: New York, 2001.

[2] SZEWZYK U, SZEWZYK R, STENSTROM T-A. Thermophilic, anaerobic bacteria isolated from a deep borehole in granite in Sweden. Proceedings of National Academy of Science USA, 1994, 91: 1810-1813.

[3] LIU SV, ZHOU J, ZHANG CL, et al. Thermophilic Fe(III)-reducing bacteria from the deep subsurface: the evolutionary implications. Science, 1997, 277: 1106-1109.

[4] CHAPELLE FH, O’NEILL K., BRADLEY P.M., et al. A hydrogen-based subsurface microbial community dominated by methanogens. Nature, 2002, 415: 312-315.

 [5] STEVENS TO, McKINLEY JP. Lithoautotrophic microbial ecosystem in the deep basalt aquifers. Science, 1995, 270: 450-454.

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