第一節 生命極端環境下的量子特征

被封存億萬年的生命意識

大自然總是呈現出奇特的一面。目前地球上最大的植物應是美國加利福尼亞紅杉國家公園中一棵綽號“謝爾曼將軍”的巨大美洲杉，它的樹干體積約有1500立方米。地球上最高的樹同樣生長在美國加利福尼亞州，這棵綽號“亥伯龍神”的紅杉高達115米，此前地球上只有另一棵已經倒掉的桉樹的高度曾經超過它。那棵名叫“羅賓遜”的桉樹曾經長在澳大利亞維多利亞省的波波山，它在1889年被人發現時，高度達到143米。專家相信，從理論上說這幾乎是一棵樹木能夠長到的極限高度，因為再高的話，高處的樹葉就很難通過毛細管作用從根部往上吸水。

壽命似乎是生命的一種追求，尤其對人來說，但是聰明的人類似乎總是在某一方面斗不過一些生物的。地球最大的有機生物體是美國俄勒岡州馬胡爾國家公園中一種綽號“巨型蘑菇”的蜜環菌，這個學名為奧氏蜜環菌的巨型真菌是在1998年被發現的，它占地965公頃，至少相當于1350個標準足球場。科學家猜測，它的實際年齡可能高達8650歲，所以它也可能是地球上最老的生物之一。地球上最老的樹是一棵綽號“普羅米修斯”的美國狐尾松，它在1964年倒下前，估計已有5000歲。

烏龜的壽命可以達到幾百年，弓頭鯨能存活幾個世紀，2007年一些阿拉斯加漁民殺死了一只鯨魚，在它體內驚奇的發現了另一個年代的手工制品。這只鯨魚至少生活了117年。龍蝦不會變老，只會變大，根據《吉尼斯世界紀錄》記載，人們在1977年曾經捕獲一只19.95公斤的龍蝦，1926年在緬因州曾經捕獲一只23.36公斤的龍蝦，人們不知道這些龍蝦真正的壽命是多少。

與龍蝦一樣，蛤蚌壽命非常長，年齡越大，體現就越大。它們驚人的長壽與“緩慢的細胞復制過程”有關，這些蛤蚌一旦到性成熟期，它們體內的酶就會在大約150年內保持穩定。

硅質海綿擁有僵硬的骨骼，這些生物估計能夠存活長達1.5萬年，這就使它們成為地球上最古老的活體動物。

說到生命的壽命能保持多久的問題，2013年5月，來自阿爾伯塔大學Catherine La Farge博士等，在加拿大北極高地的淚滴冰川附近探索時獲得了樣本。400年前的苔蘚植物樣本已經在實驗室條件下開始“復活”，揭示了生態系統如何從長期的冰川覆蓋中恢復過來。

2012年2月，俄羅斯考古學家在西伯利亞科雷馬河的永凍層發現了冰凍了30000年的種子，科學家竟然把它復活了。俄細胞生物物理研究院的團隊用這枚種子種出了一棵水果樹苗，創下復活最古老植物種子的紀錄。

一開始科學家將其中一顆種子帶回實驗室，企圖讓它發芽，結果失敗了，后來科學家利用水果中一種“胎盤組織”成份，在培養皿中成功令這枚已經封凍了30000年的種子復活。英國千年種子銀行的專家說，這是驗證高等植物生命“韌性”之強最“極端”的例子。

對于細菌來說，似乎在生命耐力方面總是比植物能獲得更長的壽命，比如科學家在美國加利福尼亞州沙漠死亡谷地下鹽晶體中微小的液體腔里，發現34000年前仍然存活的遠古細菌。負責該研究的美國夏威夷大學副教授布賴恩-舒伯特（Brian Schubert）說：“這是一項令人非常驚訝的重大發現！它們仍存活著，但它們已不使用任何能量游動，不具有繁殖生育能力。它們除了維持生存之外再不做任何事情。”他指出，這種細菌將收縮變小，并處于冬眠狀態。它們之所以能夠在34000萬年中存活下來是由于它們依賴于一種水藻提供食物。紐約賓漢姆頓大學地質系蒂姆-洛文斯廷（Tim Lowenstein）教授稱，這項研究表明此類現象也存在于現代鹽湖，這些細菌永久性地密封在鹽晶體中，就像被保存在時間艙里。

據英國《新科學家》文章研究，一個有哥本哈根大學教授埃斯科·韋勒斯利領導的小組，在俄羅斯西伯利亞地區永久凍結帶的一個地下10米深冰芯中，發現了一種含有活性DNA的古老細菌，DNA分析結果顯示它們的年齡在40萬歲到60萬歲之間。

科學家早就知道，隨著時間的流逝，所有的活細胞最終都會消亡，DNA也會碎成片段。但是研究人員所收集到的一些細胞DNA卻能在很長時間內保持完好，證明這些細胞能更好地延遲老化和死亡過程，甚至有些有機體還具有再生能力，可以修復損傷的細胞。

大多數科學家認為除了地球，太陽系的其他行星沒有生命存在，但是這次發現的微生物卻能在如此惡劣的環境下存活如此長的時間，而火星上溫度更低、更穩定，因此這類生命可能更適合在火星上存活。

另一些研究人員在美國加利福尼亞死亡谷地底下發現了一種遠古細菌，它們在過去34000年中僅僅以藻類的幾個細胞為生。這種細菌非常微小，長度大約只有1微米，呈現假死狀態，除了吸吮藻類的營養外，它們幾乎停止了所有的活動。它們靠吸吮藻類的營養來修復自己慢慢損壞的DNA。一個小小的藻類細胞就足夠維持古菌生存長達1200萬年。

早在20世紀90年代，人們便已經知道，某些微生物可以在海底沉積物中存活數百萬年，該取樣地點都位于北太平洋環流覆蓋下方洋底以下數十米深處的淤泥沉積物中。

2012年5月，丹麥奧胡斯大學的漢斯·羅伊領導的小組發現了深埋在海底下長達8600萬年之久的一個細菌菌落仍然存活著。由于這些微生物生存的環境極端貧瘠，其繁殖也相應地變得極端緩慢，這和其他種類的細菌DNA非常不同，很多細菌體在短短幾天之內就能從一個分裂成數百萬個，但是這些細菌大約每數百年至數千年才繁殖一次。

Bdelloids是一種生活在淡水中的微生物，離開水也能存活幾年時間，它們8000萬年都不會進行交配。許多科學家都認為一個物種通過無性繁殖無法存活很長時間，科學家們發現它們是一種“遺傳嵌合體”，一只Bdelloids就擁有500多個不同物種的DNA。很顯然，它們從周圍找到外來的DNA并且連接到它們自己的DNA上。

研究人員培養激活了4千萬年前密閉在琥珀中蜜蜂體內的細菌后，又有人在2.5億年前的結晶鹽中找到了處于假死狀態的細菌。而美國佐治亞理工學院實驗室在一項實驗中成功復活5億年前“細菌”。研究人員將5億年前細菌基因注入現代大腸桿菌中，這種“弗蘭肯斯坦”類型基因能夠頑強地存活下來，目前該嵌合體大腸桿菌現已繁衍了1000多代。

科學家希望發現這種“遠古”細菌是否能夠延續古老基因方式進化，或者出現新的生物體進化方式。美國宇航局天體生物學博士后貝圖爾-卡卡爾（Betul Kacar）說：“這非常像倒回和重播生命分子錄音帶，實驗中的新型嵌合體細胞能夠快速突變，一些細菌比現代基因更加強壯和健康。”基于這種現代細胞體可以從現代生物體中觀察遠古基因，從而讓我們分析遠古進化軌跡是否能夠重復進行，或者生命體是否能夠適應不同的進化路徑。卡卡爾說：“這種已改變的生物體并不是完全健康體，或者適應于現代進化方式，至少在研究初期是這樣的。這種發生基因改變的生物體在未來的突變進化中將逐漸適應環境。到目前為止這些遠古基因尚未進化突變，而是這種嵌合體細菌發現一種新的進化軌跡來增強適應性。

長生不老是自古以來人們的夢想，但在海洋中的燈塔水母卻實現了這種愿望，具有“返老還童”的能力，可以說掌握著永生不死的奧秘。

燈塔水母長約4～5毫米。通常情況下，水母繁殖完下一代后就會死亡，但燈塔水母性成熟之后卻可以“返老還童”，重新回到幼蟲狀態，然后繼續成長，開始另一次生命歷程。從理論上來說，燈塔水母可以無限制地進行這種“返老還童”的循環周期，從而達到永生不死的狀態。

極端冷熱下的生命

北極生活著能抵御寒冷的北極熊，他們會在冬天冬眠來抵御過度的寒冷。很多生物會選擇利用低溫冬眠來減少能量的消耗，用延遲生活節奏的方法抵御寒冬，根據最新研究，人似乎也存在這種冬眠機制。加拿大埃爾斯米爾島的燈蛾毛蟲堪稱是地球上最極端的耐寒動物之一，能在-70℃的低溫狀態下冬眠，即使它們的血液和任何其他細胞外液體都處于結冰狀態，仍能存活下來。燈蛾毛蟲能夠產生抗凍劑來保護身體最重要的部分，在極寒的環境中，它們可以任由自身細胞的細胞漿結成冰，但卻能讓細胞核和其他細胞器官處于非結冰狀態。

南極有著極端的天氣，只有冬夏兩個季節，內陸冬天最冷的時候可達-70℃。美國宇航局研究小組，在黑暗冰凍的南極200多米冰層下放置攝像機，首次發現一種類似蝦的生物在水中游動，同時還發現0.3米長、帶有觸須的水母物種，這是一種類似蝦的片腳類動物。

這些生物不是從某遠處海域游過來的，因為他們距離開放海域至少19.4公里。目前，科學家置疑，類似復雜的片腳類動物是否能夠像一些細菌能夠在海洋中以化學物質為食。

南極“泰勒冰川”與海洋隔離150萬年以上，在冰蓋下400米封閉著一個超級鹽湖，含鹽量是海水的數倍，在沒有氧氣與陽光的冰川湖泊下竟然發現有奇特的微生物群落。在夏季，溫度升高后，融化的水流使冰川內部露出紅色，這些深紅色海水由于富含鐵元素而形成，該現象被稱為“血瀑”。

科舉家發現在冰川之下近0.5千米生活著微生物與細菌，由于冰川封閉，沒有陽光射入，細菌不是依賴陽光生活，而是依靠硫磺代謝反應獲得能量。細菌利用硫磺化合物作為化學催化劑導致封閉冰川湖泊中的有機化合物的能量電子釋放，使圍繞湖泊周圍基巖中的鐵元素瀝濾出來。研究人員認為這些微生物進化演變懂得使用硫酸鹽“呼吸”水中含鐵物質，它們以水中非常少數量的有機物質為食。說到以鐵為生的細菌，研究者在泰坦尼克號銹跡斑斑的殘骸上發現了食銹菌的蹤跡，這些食銹菌會黏附在鋼鐵和銹斑表面，借助其他微生物的幫助，吞噬沉船的金屬。如果一直腐蝕下去，這些細菌會將泰坦尼克號吞噬得一干二凈。研究者認為，這些細菌可以用來解釋為什么其他一些海底沉船會被分解。

在另一例子中，在南極冰蓋以下約20米深處的一個叫維達湖（Lake Vida）鹽水湖中，科學家發現湖中的微生物生命與外部世界隔絕了近3000年。維達湖沒有陽光、缺乏氧氣，高鹽的湖水呈弱酸性，溫度約為-13℃。碳定年法表明，這一不適合生命生存的鹽水湖已經存在了超過2800年。此研究發表于《美國科學院院刊》上。美國伊利諾伊大學地球與環境科學系教授彼得·T·多倫（Peter T Doran）說“這一發現擴展了生命的極限條件，湖水本身的低溫、高鹽條件就已經是很大的限制，考慮到沒有太陽能和其他大氣物質的輸入，湖中環境對生命來說極其艱難。”

早在2002年，對維達湖鹽水的研究已經發現了古老微生物的存在，然而奇怪的是這些鹽水需要在溫度升高之后才會出現生命活動的跡象。最近的研究發現，維達湖中存在著以細菌占主導的、多樣化且代謝活躍的生態系統。維達湖位于南極洲的邊緣，為了研究湖中的生命，研究團隊采集了冰芯中的鹽水樣品，結果發現，化合物和氧化物的含量很低，氫分子的含量則較高。地球化學分析表明，鹽水和底質之間的化學反應會產生一氧化二氮和氫分子，氫分子可能為微生物提供了必需的能量。

“泰勒冰川”下鹽水湖與維達湖中的生態系統不僅為冰冷極地的生態學提供了有價值的信息，而且提示著在地球大氣層外的其他星球冰冷環境中，也可能存在著類似的生命。

這些研究表明這種極端惡劣的環境并非之前所認為的沒有陽光和營養物質，就無法孕育生命體的說法，而事實證明一些生命依靠鐵，氫中的能量，做出了生命的循環與繁殖。這說明實際上這里仍存在著復雜的生命結構。我們要問那么冰凍的木衛一表面之下是否也能存在生命？

在6～8億年前，地球上幾乎到處都是冰雪覆蓋，這一時期被稱為“雪球地球”。當時的環境與以上的冰川湖泊形成的條件十分類似。被困在冰川之下的湖泊環境中長達數百萬年。這項發現具有重要意義，在地球之外的其他星體上也存在著類似的環境，目前科學家知道南極冰川密閉的湖泊中可孕育生存著微生物，那么可以進一步推測類似這樣的生命體也可能存活于其他星球極端的生存環境，也就是說某些星球上即使沒有氧氣和光線，也可能孕育奇特的生命形式。

2013年5月，科學家在加拿大北極地區永久凍土地帶發現一種細菌，盡管溫度僅有-15℃，但能保持興旺生長。奇特的細菌對于理解火星或者土衛二可能存在的生命提供重要線索。研究負責人加拿大麥吉爾大學的萊爾-懷特和研究小組發現，這種細菌能夠適應寒冷和鹽水環境，這是由于它們的細胞結構、適應寒冷的蛋白質，類似防凍劑的高含量化合物。懷特指出，我們從該細菌特征洞悉太陽系其他星球也可能存在的類似微生物。這種細菌生活在鹽水紋理之中，它們之所以能夠幸存下來是由于鹽阻止紋理中的水結凍，并且它們在-25℃的永久凍土地。

永久凍土地帶生活照嗜冷微生物，一些頑強的微生物生存在西伯利亞和南極洲的冰層之下，這里的溫度在-20℃～-5℃之間。智利南極科考隊近日宣布，他們發現了一批生存在極端環境下的微生物，超過300種，約70%屬于新種類，包括許多嗜冷菌、嗜鹽菌、嗜酸菌和嗜堿菌。嗜冷菌的最佳生長環境在-15℃以下，嗜鹽菌最適合生長在高濃度鹽水中，嗜酸菌和嗜堿菌則適應于極端的PH值環境。

除此之外，他們還發現了大量嗜熱菌和超嗜熱菌，盡管這些微生物終其一生都生活在冰層里，但它們卻更喜歡在50℃以上的環境中生存，其中一種微生物甚至在95℃時仍能生存。另一項重大成果是發現了奇異球菌，它們可能是世界上最強悍的細菌。這種奇異球菌生活在15米深的極地永久凍土下，能夠承受的γ射線強度比已知其他任何細菌高5000倍。這種超強抵抗力從何而來還是個謎，甚至有人推測它們來自太空。對此科學家布萊梅表示，它們超強抵抗能力的分子機制是什么以及這種機制能在哪些方面得到應用，表明這種極端惡劣的環境并非之前所認為的沒有陽光和營養物質，就無法孕育生命體，但實際上這里仍存在著復雜的生命結構。

一項實驗顯示，微生物“Strain121”在實驗室中被加熱到121℃時仍能照樣生存，即使在130℃的環境中，這種微生物仍能維持生命，只不過無法復制繁衍。

科學曾經發現，細胞內帶有一個細胞核的真核生物，沒有一種能夠在60℃的高溫中幸運存活，除了一種生活在海底熱液噴口附近的蠕蟲外，這種蠕蟲的尾巴通常會粘附在80℃高溫的熱液噴口巖壁上。

開曼群島海底，數千只新種蝦環繞在間歇泉四周，棲息地溫度超過450℃。

英國科學家發現一種新的深海蝦種群，棲息地深度超過此前最極端的深海火山噴口地區發現的其他任何蝦種群。這種蝦生活在加勒比海海底的沸騰熱泉，水溫可能超過450℃。

耐旱、耐鹽的生命體

一種被稱作水熊蟲的小型無脊椎動物堪稱是地球上生命力最頑強的動物了。研究顯示，水熊蟲在沒水喝的情況下可以通過這種“特殊手段”存活120年。

如圖024中的金屬鹽樣品是美國威斯康辛大學史蒂芬角分校的化學家邁克爾·扎克在一次前往位于加利福尼亞死亡峽谷國家公園的旅行中收集的。

當他把水加到這些樣品中時，休眠于此的微生物們蘇醒過來，在背景中紛紛蠕動，當水分蒸發完畢后，扎克拍攝了這張照片，捕捉到了光線在新生成晶體上的反射。這種微生物分泌一種化學物質，能夠阻止金屬鹽晶體的形成，從而保證自己在高鹽、酸性環境的生存。

西班牙和智利的研究人員在智利阿塔卡馬沙漠地下兩米的疏水基底發現一個“微生物的綠洲”。

該團隊科學家在這個沙漠下的“綠洲”發現了棲息的細菌和古生菌（原始微生物），西班牙天體生物學中心研究員維克托解釋說，微生物得以棲息是因為這里蘊含可吸附水分的巖鹽和其他高吸濕化合物，如硬石膏和高氯酸鹽。此外，基底下的微生物易潮解，這意味著它們可以吸收有限空氣中的水分，凝結于鹽晶體表面，從而形成了幾微米厚的薄膜。這些物種與其他類似的在多鹽環境下生長的種類沒有什么不同，只是奇特的是，它們竟被發現在沒有任何氧氣或陽光的地下2米至3米深處生存。維克托強調，如果火星上有類似的微生物或有相似的環境，在這個紅色星球上已發現含鹽水的沉積物，因此其底土有可能存在多鹽的環境。而這種高濃度的鹽具有雙重作用，既可吸收晶體的水，又可降低冰點，使其能夠在零下幾攝氏度到20攝氏度形成薄鹽膜。

死海是一個以高鹽度著稱的內陸海，很多生物無法生存。最新一項研究顯示，死海并非死亡之海，在貧瘠底部存在著數十個噴涌新鮮水的凹坑，這里涌現出新的生命形式，德國馬克斯-普朗克協會海洋微生物學家丹尼—約內斯庫（Danny Ionescu）是研究小組成員之一，他說：“2010年，首支死海潛水勘測隊發現死海湖底凹坑涌泉是‘奇特的生命熱點’，這些湖底凹坑覆蓋著薄膜，有時令人吃驚地聚集著新細菌物種。”這些體積微小的細菌群體聚集在水下涌泉的新鮮水流附近，此前研究人員曾誤將涌出的新鮮水流當成死海表面奇特的漣漪。湖泊的高含鹽性意味著像魚類和青蛙等大型生物無法幸存于死海，但是高濃度鎂的存在性使得死海存在著大量的微生物。2010年死海水下勘測繪制出湖底凹坑大約有30個，這種地質結構并不存在于地球其他區域，死海凹坑收集樣本的初步分析顯示涌泉中的細菌群體存在較大的多樣性，涌泉頂部的巖石覆蓋著綠色生物膜，它可同時與陽光和硫化物發生反應，除此之外吞食硫化物的細菌覆蓋在巖石底部。

在阿根廷加蘭火山口的狄亞曼特湖研究人員在缺氧的湖水中發現數百萬只活躍的超級細菌。狄亞曼特湖含有大量的砷，是安全用水的2萬倍，咸度是普通海水的5倍，堿度非常高，水溫常常處于攝氏零度以下，不會結冰。細菌的DNA已經變異，可以承受高海拔稀薄的氧氣及高紫外線輻射。該情況透露了外星生命的可能性，這群細菌的棲息環境類似遠古時代的地球，當時能呼吸的生物尚未得到地球大氣層包覆的保護。從理論上來說，如果這些細菌可以在這種環境中存活，那么它們也可以在類似火星的環境中生存。