第二節(jié) 太空與地下的生命圈

科學(xué)家曾思考，如果沒有氧氣，那么維系現(xiàn)代復(fù)雜生命生存的主要物質(zhì)將是什么。我們發(fā)現(xiàn)了很多不依賴氧氣生活的細(xì)菌，但是對(duì)于多細(xì)胞動(dòng)物來說，沒有氧氣是無法想象的，生物世界永遠(yuǎn)會(huì)有很多的未知之謎。最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)世界第一種無需氧氣的多細(xì)胞動(dòng)物，它們能夠生存在病毒細(xì)菌和古生菌都無法生存的地中海海底數(shù)千米以下沉積層中，并且它的周圍還存在著有毒的硫化氫物質(zhì)，這種后生動(dòng)物可以生存于持續(xù)缺氧狀態(tài)下，也不需要新陳代謝后的含氧物質(zhì)。

這是由意大利和丹麥科學(xué)家組成的研究小組負(fù)責(zé)的研究，科學(xué)家從1998—2008年對(duì)地中海3000米下的極端環(huán)境進(jìn)行了3次海洋勘測(cè)，才在位于希臘南部海域拉塔蘭特海盆的地層中發(fā)現(xiàn)了這種新生物。這種類型的深海含鹽有毒海盆形成于550萬年前礦物質(zhì)沉積洪流中，該海盆內(nèi)濃密的含鹽鹵水層厚達(dá)60多米。這一鹵水層相當(dāng)于自然障礙，可以阻止海水和沉積物質(zhì)之間的氧交換作用，使海盆完全不存在氧氣。除此之外，拉塔蘭特海盆富含甲烷和硫化氫氣體。

這種后生動(dòng)物是鎧甲門物種之一，體長不足1毫米，主要生活在海底沉積物中。這一新物種與其他后生動(dòng)物最顯著的區(qū)別是，它體內(nèi)并沒有使用氧氣和糖生成細(xì)胞所需要能量的線粒體。而對(duì)于這一新物種，它非常類似于氫化酶體，氫化酶體通過一些單細(xì)胞屬真核細(xì)胞產(chǎn)生能量，期間無需氧氣供給。研究人員稱，這項(xiàng)研究證實(shí)棲息于有毒海盆的這種鎧甲門物種是世界上第一種無需氧氣生存的動(dòng)物，它們能夠適應(yīng)厭氧代謝。我們將重新審定動(dòng)物的生存方式，進(jìn)一步分析動(dòng)物的進(jìn)化過程。

地下生命圈

在四萬公里長度的大洋海底有很多高一般為2～5米、上細(xì)下粗圓筒狀、口徑約15厘米的黑色煙囪狀的怪物，它們以每秒幾米的速度向外噴出與海水不一樣的液體，這些液體一開始澄清，與周圍的海水混合后沉淀變?yōu)椤昂跓煛??！昂跓煛毙纬傻脑蚴切律笱蟮貧せ蚝５琢压鹊貧さ臏囟容^高，海水沿裂隙向下滲透可達(dá)幾千米，在地殼深部加熱升溫后，然后再淋濾并溶解巖石中多種金屬元素后，又沿著裂隙對(duì)流上升并噴發(fā)在海底。由于礦液與海水成分、溫度的差異，形成濃密的黑煙，海底及其淺部通道內(nèi)則堆積這些硫化物的顆粒沉積。在噴出熱泉的“黑煙囪”周圍，雖然水溫高達(dá)250℃-350℃，水壓為265帕，但活躍著蠕蟲類、蛤類、蟹類、蝦類、蔓足類、魚類和硫細(xì)菌等各類生物種群，在世界各大洋都發(fā)現(xiàn)了這種熱水生物群。

因?yàn)樵跓嵋嚎?，溫度的梯度大，剛噴出的熱液?00℃，而海底的水溫是2℃-4℃，而且這個(gè)地方PH值和氧化還原點(diǎn)也有極大的梯度，在這種時(shí)候最容易形成和進(jìn)行化合作用，很多人判斷“黑煙囪”上面有各種各樣的礦物質(zhì)，生命起源很有可能就在這里。

深海熱液生物群表明，地球上存在著不需要光合作用、不需要植物作為食品鏈的生命系統(tǒng)。

另外，在大陸坡、深海區(qū)分布著天然氣水合物，即可燃冰。海底升溫或減壓，就會(huì)釋放出大量的甲烷，可以在海水中形成一種被科學(xué)家稱為冷泉的甲烷柱。在冷泉附近生存著依賴?yán)淙纳锶?，被稱為“碳?xì)浠衔锷锶郝洹?。這些天然氣水合物釋放區(qū)的生物群也是獨(dú)立生態(tài)系統(tǒng)，其食物鏈低層生物也是一種管狀蠕蟲，依靠甲烷細(xì)菌提供能量。

據(jù)美國《大眾科學(xué)》雜志報(bào)道，國外科考人員日前首次在地殼輝長巖層發(fā)現(xiàn)了生命，同時(shí)還找到了能夠證明有生命存在于更深地底的證據(jù)。研究人員在大西洋中部海底，一個(gè)非?；钴S的厚度只有70米玄武巖層斷層地塊進(jìn)行鉆探，在鉆探1300多米后到達(dá)了地殼輝長巖層，這里的溫度超過了海平面沸點(diǎn)屬于高溫高壓，但是這里存活著大量生命，主要是細(xì)菌種，經(jīng)過長時(shí)間的進(jìn)化以甲烷等碳?xì)浠衔餅槭?，與在油藏層發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌相類似。這一發(fā)現(xiàn)表明，細(xì)菌可能并不是在輝長巖層進(jìn)化，而是從上方的地層向下遷移。在海床下方深處發(fā)現(xiàn)以碳?xì)浠衔餅槭车纳砻鳎芯咳藛T有可能在更深的區(qū)域，也就是在地幔發(fā)現(xiàn)生命。

繼續(xù)向地球深處探索，地殼下3000米即所謂的地表下巖石圈，這些厚重巖石的溫度超過了40℃，由于缺乏氧氣而能夠使大多數(shù)人們熟悉的生物窒息，在這里科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大量的名為生物膜的一些細(xì)菌和其他微生物，并且在這個(gè)地獄般的環(huán)境中首次發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞生物——線蟲。這些線蟲身長約半毫米，以細(xì)菌為食，通過單性生殖方式不經(jīng)交配來繁殖，能忍受生活環(huán)境中的高溫，多細(xì)胞生物在如此惡劣環(huán)境中的生存能力對(duì)于研究宇宙生物學(xué)也有參考價(jià)值。

科學(xué)家們估計(jì)，地球半數(shù)生命藏在地下，地球的近半數(shù)活的物質(zhì)隱藏在海洋或陸地的巖石、土壤、樹根、礦藏、油井、湖泊和蓄水層中，他們把它叫做“地下生物圈”或者“地球的地下室”。在這個(gè)地下世界里，沒有陽光，生命往往生活在極端環(huán)境之中，從地球表面延伸到地下數(shù)百米或者數(shù)千米。這一環(huán)境中的生物體的總量可能相當(dāng)于地球表面所有生物的量。

20世紀(jì)90年代后，人們用石油鉆探和大洋鉆探分別在北海和太平洋底下探索深度地層的各類巖樣，在玄武巖火山玻璃中都發(fā)現(xiàn)了微生物，有時(shí)候每立方厘米沉積物中就有1000多萬個(gè)活細(xì)菌。經(jīng)計(jì)算，地球下的生物量竟達(dá)到地球表層的1/10，占全球微生物總量的2/3。顯然，在地下深層存在一個(gè)覆蓋全球的深部生物圈。這些在極端環(huán)境下的微生物，新陳代謝極端緩慢，長期處于休眠狀態(tài)，極少消耗能量，都是些極其高齡的生物。有人對(duì)4000萬年前密閉在琥珀中蜜蜂體內(nèi)的細(xì)菌培養(yǎng)后，細(xì)菌居然活了過來；又有人在新墨西哥州地下600米處，2.5億年前的結(jié)晶鹽中找到了處于假死狀態(tài)的細(xì)菌。

能夠生存于太空環(huán)境下的生命

科學(xué)家們?cè)谟粭l河流中發(fā)現(xiàn)了通常生活在高空中的細(xì)菌種類，這種細(xì)菌名為“同溫層芽孢桿菌”，其通常存活于距離地面20英里（32公里）的高空。在河中發(fā)現(xiàn)它們可能是因?yàn)榇髿庋h(huán)被帶下來的。這一大氣循環(huán)讓水汽上升，并再次落下。這種生命力頑強(qiáng)的特殊細(xì)菌可以被用在微生物燃料電池（MFC）當(dāng)中，用以將廢水轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏蜐崈羲?/p>

歐洲航天局發(fā)表公報(bào)說，為了探尋太空中生命存在的跡象，該機(jī)構(gòu)在國際空間站的“哥倫布”實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，其中包括在艙外懸掛12個(gè)手提箱大小的盒子。這些盒子里被放入664種生物和生物化學(xué)樣品，觀測(cè)時(shí)間為期18個(gè)月。研究人員發(fā)現(xiàn)一些生物存活下來，比如水熊、鹵蟲和一種多足搖蚊的幼蟲，水熊能夠繼續(xù)存活，其中適應(yīng)能力最強(qiáng)是地衣植物麗石黃衣。

生物如果想適應(yīng)太空生活，不僅僅要面臨著惡劣的環(huán)境，而且最難以忍受的應(yīng)該是太空輻射了。美國科學(xué)家已破譯了“超級(jí)細(xì)菌”的全部基因的遺傳密碼。“超級(jí)細(xì)菌”名叫異常球菌，已有20億歲的高齡，是地球上存在的最早的生命形式。它以超強(qiáng)的抗輻射能力而被譽(yù)為“世上最堅(jiān)韌的生物體”，即使原子彈爆炸也奈何不了它。“超級(jí)細(xì)菌”可用于保護(hù)核設(shè)施附近的環(huán)境，解除重金屬、放射性核廢料和其他有害物質(zhì)對(duì)土壤和地下水的侵蝕。

在一般的情況下，人在5戈瑞（輻射強(qiáng)度的計(jì)量單位）的輻射下只能存活1小時(shí)（廣島和長崎原子彈爆炸的輻射劑量即相當(dāng)于10戈瑞）；普通細(xì)菌2000—5000戈瑞的輻射下也會(huì)全部死亡；但是從2003年起，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所在科技部支持下，對(duì)新疆高放射性污染土壤進(jìn)行了耐輻射微生物資源研究。獲得了耐10000—30000戈瑞輻射的各類細(xì)菌、放線菌、真菌（含酵母菌），并初步確定耐輻射微生物新科1個(gè)，新屬10個(gè)，新種20多個(gè)。其中耐輻射放線菌和耐輻射真菌是世界上首次被發(fā)現(xiàn)和分離出來的。

美國俄勒岡州大學(xué)科學(xué)家從該州山區(qū)海拔1524米左右的熔巖管內(nèi)的冰中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，這些細(xì)菌以橄欖石中的鐵為食，能夠在氧量較低、溫度接近零度和完全沒有有機(jī)食物存在情況下生存。在火星巖石中，科學(xué)家同樣發(fā)現(xiàn)了橄欖石，這次發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌擁有驚人的生存能力，而火星環(huán)境與其非常類似，能夠在類似火星的環(huán)境下繁衍生息。

科學(xué)家證實(shí)，經(jīng)過長時(shí)間的進(jìn)化，這種細(xì)菌能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的生存環(huán)境。在室溫和正常的氧水平條件下，這種細(xì)菌以糖等有機(jī)物質(zhì)為食。在移除這些食物同時(shí)將溫度降至接近零度和降低氧水平后，這種細(xì)菌開始以在熔巖管中發(fā)現(xiàn)的橄欖石作為能量之源。橄欖石是存在于地球和火星火山巖中的常見礦物?；鹦堑叵驴赡艽嬖陬愃骗h(huán)境，細(xì)菌能夠在這種環(huán)境下生存。科學(xué)家曾對(duì)來自火星的一顆隕石進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌新陳代謝的跡象。

目前，微生物可以通過吞噬硫化物進(jìn)行生存已經(jīng)被證實(shí)。個(gè)體的大小只有千萬分之一米的長度。而且他們的形狀和群落顯示出并不一致的特征。根據(jù)相關(guān)的科學(xué)家介紹：在這些微生物化石上還檢測(cè)到了鐵和硫的化合物，這可通過硫和硫酸鹽代謝的產(chǎn)生。

而嗜硫細(xì)菌在今天的地球上仍然是非常普遍的，我們可以在臭水溝或者土壤中找到它們，也可以在更加極端的環(huán)境中生存，例如深海熱泉特殊生態(tài)系統(tǒng)。從這個(gè)角度可以推測(cè)，火星上也存在著如此極端惡劣的環(huán)境，同樣有理由想象，或許在地球上，一些微生物可以以火山噴發(fā)出的硫化物分子為能量來源而生存。從本質(zhì)上講，它們“食用”這些硫化物就相當(dāng)于人類呼吸氧氣。那么在該星球大氣層中探測(cè)到硫化物分子，將有助于判斷該星球是否有生命存在。

如果這種“影子生物圈”的確存在——生命真的在地球上進(jìn)化過不止一次，這將表明生命并不是如此的特別，它可以相當(dāng)容易地扎根于某個(gè)地方。這樣一來，宇宙中其他世界存在生命的幾率將大大增加，這拓寬了科學(xué)家對(duì)各種新的可能性的認(rèn)識(shí)，表明生命能夠以比以前想象的更多形式存在，生活在更為廣泛的地方。

古細(xì)菌

我們前面提到的很多在極端環(huán)境下生活的細(xì)菌，被列入古細(xì)菌的行列之中。古細(xì)菌常生活于熱泉水、缺氧湖底、鹽水湖等極端環(huán)境中的原核生物。具有一些獨(dú)特的生化性質(zhì)，如膜脂由醚鍵而不是酯鍵連接。在能量產(chǎn)生與新陳代謝方面與真細(xì)菌有許多相同之處，而復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯則更接近真核生物。古核生物與真核生物可能共有一個(gè)由真細(xì)菌的祖先歧化而來的共同祖先，現(xiàn)今最古老的生物群，為地球原始大氣缺氧時(shí)代生存下來的活化石，為單細(xì)胞生物，并無真正的核。染色體含有組蛋白，RNA聚合酶組成比細(xì)菌的復(fù)雜，翻譯時(shí)以甲硫氨酸為蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，細(xì)胞壁中無肽聚糖，不同于真細(xì)菌，核糖體蛋白與真核細(xì)胞的類似。許多種類生活在極端嚴(yán)酷的環(huán)境中，與真核生物、原核生物并列構(gòu)成現(xiàn)今生物三大進(jìn)化譜系。

古細(xì)菌多生活在極端的生態(tài)環(huán)境中，具有原核生物的某些特征，如無核膜及內(nèi)膜系統(tǒng)；具有環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞產(chǎn)能、也有真核生物的特征，如以甲硫氨酸起始蛋白質(zhì)的合成、核糖體對(duì)氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核細(xì)胞的相似、DNA具有內(nèi)含子并結(jié)合組蛋白；此外還具有既不同于原核細(xì)胞也不同于真核細(xì)胞的特征，如：細(xì)胞膜中的脂類是不可皂化的；細(xì)胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白質(zhì)為主，有的含雜多糖，有的類似于肽聚糖，但都不含胞壁酸，D型氨基酸等。

古菌細(xì)胞有各種形狀，如球形、桿形、螺旋形、葉狀或方形，它們具有多種代謝類型。值得注意的是，鹽桿菌可以利用光能制造ATP，盡管古菌不能像其他利用光能的生物一樣利用電子鏈傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光合作用。一些人認(rèn)為真核生物起源于一個(gè)古菌和細(xì)菌的融合，二者分別成為細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。這解釋了很多基因上的相似性，但在解釋細(xì)胞結(jié)構(gòu)上存在困難。

以上很多事實(shí)說明，生物體會(huì)以各種方式生活在極端環(huán)境之中，其中包含大量的多細(xì)胞生物，而古細(xì)菌在極端環(huán)境下更具有代表性，古細(xì)菌分為如下幾種：

極端嗜熱菌：能生長在90℃以上的高溫環(huán)境。有的最適宜生長溫度為100℃,80℃以下即失活，在意大利海底發(fā)現(xiàn)的一族古細(xì)菌，能生活在110℃以上高溫中，最適生長溫度為98℃，降至84℃即停止生長；美國的J.A.Baross發(fā)現(xiàn)一些從火山口中分離出的細(xì)菌可以生活在250℃的環(huán)境中。嗜熱菌的營養(yǎng)范圍很廣，多為異養(yǎng)菌，其中許多能將硫氧化以取得能量。

嗜鹽細(xì)菌：它能在極端地鹽環(huán)境下生長和繁殖，特別是在天然地鹽湖和太陽蒸發(fā)鹽池中生存。由滲透勢(shì)原理可知，高鹽溶液中的細(xì)胞將失去更多的水分，會(huì)變成脫水細(xì)胞。而嗜鹽細(xì)菌可產(chǎn)生大量的內(nèi)溶質(zhì)或保留從外部取得溶質(zhì)的方式來維持自身的生存，如嗜鹽桿菌在其細(xì)胞質(zhì)內(nèi)濃縮了高濃度的氯化鉀，其中有一種酶只有在高濃度的氯化鉀中，才有活性，才能發(fā)揮其功能。而與環(huán)境中鹽類接觸的鹽桿菌，其細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)需要有高濃度氯化鈉才能發(fā)揮作用。這是古細(xì)菌種的一種。

極端嗜酸菌能生活在pH值1以下的環(huán)境中，往往也是嗜高溫菌，生活在火山地區(qū)的酸性熱水中，能氧化硫，硫酸作為代謝產(chǎn)物排出體外。

極端嗜堿菌：生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中，生活環(huán)境PH值可達(dá)11.5以上，最適PH值為8～10。

產(chǎn)甲烷菌：是嚴(yán)格厭氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同時(shí)釋放能量。CO2+4H2→CH4+2H2O+能量。

由于古細(xì)菌所棲息的環(huán)境和地球發(fā)生的早期有相似之處，如：高溫、缺氧，而且由于古細(xì)菌在結(jié)構(gòu)和代謝上的特殊性，它們可能代表最古老的細(xì)菌。它們保持了古老的形態(tài)。