第一章 絕境

地球上所有的生物，也就是科學家所謂的生物圈，或是神學家口中造物主的杰作，相當于一層由生物所組成、包裹著地球的薄膜，它非常之薄，薄到我們從航天飛機上觀看地球的邊緣都沒法看見它，但是它的內部又如此復雜，復雜到組成的物種大多都還沒被發現。這片薄膜是完整無縫的。從珠穆朗瑪峰頂到馬里亞納海溝底部，各種各樣的生物棲息在這個星球表面的每一寸空間中。它們遵循生物地理學的基本準則：任何地方，只要具備液態水、有機分子和能源，就會有生命。在地球上，到處存在著有機物質以及某種形式的能源，因此，水便是地球這個星球上生命能否存在的決定因素。水也許只是沙粒上轉瞬即逝的一層薄膜，也許它從未見著陽光，它也許滾燙沸騰或是超級冰冷，但總是會有某種生物生存其中。就算肉眼看不到任何生物，還是會有單細胞的微生物在里頭生長繁殖，或至少休眠著等待液態水的出現，好讓它們重拾生命力。

在絕境中生存

南極大陸上的麥克默多干谷（McMurdo Dry Valley）是一個極端的例證，那兒的土壤是全世界最冷、最干的，而且最缺乏養分。乍看之下，這片地表如同經高壓蒸汽鍋消毒過的玻璃器皿，沒有生物。1903年，第一位親臨南極的探險家斯科特（Robert F. Scott）寫道：“我們沒看到任何生物，甚至連地衣或苔蘚都沒有；我們只在冰堆的中央，找到一副威德爾海海豹的骸骨，至于它怎么會跑到這里來的，可就費人疑猜了。”整個地球上，就屬麥克默多干谷最神似火星表面布滿碎石的荒原。

但是，由一雙受過訓練的眼睛透過顯微鏡去看，景象就大不相同了。在這條干巴巴的河床上，生存著20種光合細菌，以及同樣多樣的單細胞藻類，還有一堆以這些初級生產者為食的微小無脊椎動物。它們全都仰賴夏季冰川融化的水，提供一年一度的生長契機。由于融水流經的路徑常常改變，有些擱淺的生物只得乖乖地等待好幾年，甚至好幾百年，等待融水重新來臨。干谷中還有更嚴峻的環境，那就是遠離水源的荒原，但即便這兒也棲息著一小撮的微生物、真菌和以它們為食的輪蟲、微生物、螨和彈尾蟲。在這個單薄的食物網頂端，盤踞著四種線蟲，每一種都有特定的植物或動物作為食物。但是即使是最大型的動物，螨與彈尾蟲（它們相當于麥克默多干谷中的大象和老虎），也都是人類肉眼看不見的。

麥克默多干谷中的生物正是科學家口中的嗜絕生物（extremophile），是指能在生物耐受環境邊緣生存的物種。許多這類生物生存在地球的絕境中，在那些如人類般大型、嬌弱的生命根本無法存活的地方。另一個嗜絕生物的例子，在南極海上的浮冰“花園”中。這些經年覆蓋在南極大陸周邊數百萬平方公里海域的大浮冰，乍看起來是沒有生命能忍受的地方。然而，浮冰中其實充滿著裝有融化的海水的孔洞，里面經年長滿了單細胞藻類，它們能吸收二氧化碳、磷酸鹽以及其他來自海底的養分。這座大花園的光合作用能源來自穿透浮冰的陽光。當南極洲的夏季來臨，浮冰融化侵蝕后，藻類便沉入海中，成為橈足類動物和磷蝦的美食。然后這些小型甲殼類動物又進入魚類的肚腹，而這些魚類由于體內具有生化防凍劑，血液能始終維持液態。

最厲害的嗜絕生物非微生物莫屬，包括細菌，以及外表和它們極其相像但是在基因組成上差異極大的古生菌。（在此先離題一下：到目前為止，生物學家根據DNA序列和細胞構造將生物分為三大類：首先是細菌，也就是一般所謂的微生物；再者就是古生菌，另一種微生物；最后是真核生物，包括單細胞原生生物、真菌以及所有動物，我們人類當然也包括在內。細菌和古生菌的細胞結構比其他生物來得原始，它們不但細胞核缺乏核膜，也缺乏葉綠體及線粒體等細胞器。）

某些特化的細菌及古生菌甚至棲息在深海熱泉區的火山壁上，在接近甚至超過沸點的水中繁殖。其中一種名叫煙孔火葉菌（Pyrolobus fumarii）的細菌，是目前已知超嗜熱生物（hyperthermophile）的冠軍。它能在112攝氏度高溫下繁殖，最適合的生長溫度則為105攝氏度，如果溫度降到90攝氏度以下，它們就會因為太冷而停止生長。見識到這種奇特的能耐，微生物學家不禁要問，會不會還有更極端的極嗜熱生物（ultrathermophile），生存在200攝氏度的地熱水中，或者更高溫的地方？畢竟，地球上確實有這么高溫的水生環境。例如，在煙孔火葉菌菌落附近的海底熱泉，溫度就高達176攝氏度。目前科學家相信，包括細菌和古生菌在內的所有生物，耐受溫度上限約為150攝氏度，一旦超過這個溫度，DNA以及組成生命所需的蛋白質將會崩解，而這是生物體無法承受的。但是，除非有關極嗜熱生物（而非僅僅是超嗜熱生物）的研究已經做得透透徹徹，誰也不敢斷言生物真的具有所謂耐熱極限。

超低適應極限

經過30多億年進化，細菌和古生菌不斷將生理適應的極限往各個方向推展。譬如，有一種嗜酸生物（acidophile），能在美國黃石國家公園（Yellowstone National Park）的熱硫黃泉水中滋生。而在PH值的另一端，也有嗜堿生物（alkaliphiles）生活在世界各地富含碳酸鹽化合物的堿水湖里。嗜鹽生物（halphiles）則能生存在鹽分飽和的湖泊以及水分蒸干的池塘里。另外還有嗜壓生物（barophiles），群聚在海洋最深處的海底。1996年，日本科學家利用無人操作的小潛水艇，在世界海洋最深處，也就是馬里亞納海溝的挑戰者谷地（Challenger Deep，深度為10900米），收集到一些谷底的淤泥。在這份樣本中，科學家發現好幾百種細菌、古生菌以及真菌。樣本送達實驗室后，其中有些細菌還是能在與挑戰者谷地同樣高壓的環境中生長，也就是1000倍于海面壓力的環境。

無論就哪一個層面來看，生理彈性最驚人的應該要算耐輻射球菌（Deinococcus radiodurans）這種細菌，它們能生活在極強的輻射之下，即便輻射強到能使以耐熱著稱的派萊克斯（Pyrex）燒杯變色、脆化，它們還能存活。人體如果暴露在1000拉德劑量的輻射下（相當于長崎和廣島原子彈爆炸所釋放的輻射劑量）一到兩周內就會死亡。但是在1000倍于這個數值，也就是100萬拉德劑量下，雖說生長速度會變慢，但所有耐輻射球菌都還能存活。如果輻射劑量再增強到175萬拉德，這種細菌仍有37%存活，甚至在300萬拉德的劑量下，還能找到少數幸存者。

這種超級細菌（superbug）的秘密武器，在于擁有非凡的DNA修復能力。所有生物都擁有一種特別的酶，能修復損壞的染色體段落，不論是輻射、化學傷害或是意外事件造成的。常見的人體胃腸中的大腸桿菌（Escherichia coli），能同時修復兩到三處破損。前面提到的超級細菌則可同時修復500處破損。至于它們到底運用了什么特殊分子技術，目前還不得而知。

耐輻射球菌和它的近親，不只是嗜絕生物，而且還是了不起的通才及環球旅行家，它們被發現存在于駱駝的糞便中、南極大陸的巖石中、大西洋黑線鱈的組織里，以及一罐經俄勒岡科學家用放射線照射過的碎豬肉和牛肉罐頭中。它們屬于獨特的一群[其中也包括擬色球藻屬（Chroococcidiopsis）的氰細菌]，能在少有生物存活的地區滋長。它們是被地球放逐的流浪者，在地球上最惡劣的環境下求生存。

外層空間生物的存在

由于擁有超低極限，超級細菌也是太空旅行的理想候選者。微生物學家已經開始探討，最堅忍的微生物是否有可能飄離地球，借由平流層的風力被送至真空的太空中，最后落腳繁殖于火星地表。反之亦然，原產火星的微生物是否也能在地球上聚生。這就是“有生源說”（panspermia）的源頭，一度被視為荒誕不經，如今可能性卻大增。

同時，長期尋找其他星球生命證據的太空生物學家，也因超級細菌而重新燃起希望。另外一項鼓舞，則來自發現地下自養微生物生態系統（subsurface lithoautotrophic microbial ecosystems，簡稱SLIMEs），這個奇特的群落是由細菌及真菌組成，棲息在地表下火成巖的礦物粒空隙中。它們生長于地下3公里或更深的地底，能量來自無機化學物。不需要一般動植物（指依賴陽光獲取能源的動植物）所產生的有機物質，因此SLIMEs完全可以不靠地表來生存。也因此，即使我們所知的生物都絕種了，這些地下穴居的微生物還是可以繼續生活。時間足夠久的話，例如10億年之后，它們很可能會進化出能夠移居地表的新物種，重新組合出大災難降臨前由光合作用所推動的生物世界。

對于太空生物學家來說，SLIMEs最重要的意義在于，它們大大提高了其他星球也有生命的可能性，尤其是火星。在火星那紅色的地表深處，可能正棲息著SLIMEs或是相當于它的外層空間生物。火星在早期還有水的年代，有河流和湖泊，可能還有時間進化出火星自己的地表生物。

根據一項最新估計，從前火星上的水量足以覆蓋整個火星表面達500米深。其中有些（或者大部分）水分，可能還保存在永凍層中，被我們的登陸小艇所觀察到的塵土遮蔽著，又或者，在火星地表的深處仍然保存著液態水。但是有多深呢？物理學家相信火星內部的熱能足以維持液態水的存在。這些熱能來自衰變中的放射性礦物，以及最初由小的宇宙碎片組合成火星時所殘留的重力熱（gravitational heat），還有較重元素下沉以及較輕元素上升的變化所產生的重力能（gravitational energy）。最近有一項綜合多因素的模型顯示，在火星表層的地殼中，每深入地下1公里，溫度就提高約2攝氏度。據此推算，水分在距離地表數十公里處就會液化。但是有些水分還是可能不時從含水層冒出來。2000年，人造衛星以高分辨率的攝影機掃描火星，發現上面有小型侵蝕谷的痕跡，可能是最近幾百年甚至幾十年前，因水流沖刷而留下的。

如果真有火星生物，不論是自己源起，還是源自地球來的太空物體，其中必定包括嗜絕生物，因為有些極端微生物是生態上完全獨立的單細胞生物，有辦法在永凍層甚至更下方的地層中存活。

太陽系里另一個可能有外層空間生物的地方，可能是木星的第二顆衛星木衛二（歐羅巴）。木衛二為冰層覆蓋，地表有長長的裂縫，并布滿了隕石撞擊的凹坑，顯示地表下可能有咸水海洋或是摻和泥漿的冰層。證據顯示，木衛二內部確實很可能存在熱量，熱量則來自和鄰近的木星、木衛一（艾奧）及木衛四（卡里斯托）發生引力拉扯所致。主要冰層也許厚達10公里，但是和涌出液態水的較薄地區相交錯，而這里的地層薄到能形成一片如冰山般的平板。類似SLIMEs的自養生物是否會因此漂流到木衛二的地下海洋中？對于行星學家和生物學家來說，這點顯然很有可能，值得仔細觀察研究。而且也足夠實際，值得去測試——如果我們的探測器能夠緩緩降落，探勘涌水的地表裂縫，并鉆探覆蓋其上的薄冰層的話。

第二號候選者，是條件稍微遜色的木衛四，也就是距離木星最遙遠的一顆大衛星，它的冰凍地殼可能厚達96公里，而下方的咸水海洋可能藏在19公里的深處。

在地球上，最接近想象中的木衛二和木衛四海洋的地方，則是南極洲的沃斯托克湖（Lake Vostok）。沃斯托克湖的面積和安大略湖相當，深達460米，位于南極大陸最邊遠的南極洲東部冰層（East Antarctic Ice Sheet）底下約3公里處。它的年代起碼有100萬年之久，一片漆黑，壓力極強，而且與其他生態系統完全隔絕。如果說地球上有什么環境是不毛之地，那必定非沃斯托克湖莫屬。然而，在這個隱蔽的小世界里仍然有生物。科學家最近鉆探采集到深達180米、接近沃斯托克湖的冰河樣本。最底層的樣本中，含有一小撮各種各樣的細菌及真菌，幾乎可以確定是由其下的湖水而來。鉆頭并未伸入更深的液態湖水中。因為科學家擔心會污染這片地球上僅存的原始生境。沃斯托克實驗雖然沒能告訴我們太多關于外層空間生物存在的可能性，卻是一個探索未知世界的前驅，類似21世紀很可能會施行的火星及木衛二和木衛四的探測計劃。

假設外層空間的自養生物和地球上不需要借助陽光而起源的生物一樣，它們是否也可能在如地府般黝黯的環境中，形成某種形式的動物？提到這個，令人馬上聯想起甲殼類動物濾食微生物，然后是體型較大、像魚類的動物則追逐著甲殼類動物。最近一項地球上的發現顯示，像這樣獨立進化出復雜生命形式的過程，確實有可能發生。

羅馬尼亞的莫維爾洞窟（Movile Cave）已經與外界隔絕了起碼550萬年。這段時間，它內部顯然還是能從交疊的巖石縫隙中得到氧氣，但是沒有接收任何來自外界的有機物質。雖說世界上大部分洞穴里的奇怪生物，起碼都有一部分能源是來自外界，但是這種情況絕不可能發生在莫維爾洞窟。這兒的能源基礎為自養細菌，它們能代謝巖石中的硫化氫。以這些細菌為食和彼此為食的動物，不少于48種，當洞窟開挖后，其中33種動物還是科學上的新種。里面的微型草食動物，相當于外界吃食植物為生的動物，包括潮蟲、彈尾蟲、馬陸及蠹蟲等。專門獵殺這些微型草食動物的肉食動物，則有擬蝎類、蜈蜙及蜘蛛等。這些構造較復雜的生物，是源自洞窟被封閉前進入其中的生物。

另外一個例子，雖說并未完全和外界隔絕，但同樣是有如陰間地府般黝黯的體系，那就是位于墨西哥南部塔巴斯科（Tabasco）的恰帕斯（Chiapas）高地邊界的燈屋洞穴（Cueva de Villa Luz）。這兒也是一樣，能源基礎在于自養細菌的新陳代謝。這些細菌附著在洞穴內壁上，一層又一層，靠著硫化氫過活，同時也供養各種各樣的小型動物。

關于生物分布的研究，可以從地球生態系統里物種繁殖以及相互適應的各種方式中，找出許多基本的模式。第一，也是最基礎的原則是，只要是有生命存活的地方，不論是地表或地層深處，都能找得到細菌和古生菌的蹤跡。第二，只要有容得下蠕動或游動的空間，小型原生生物及無脊椎動物便會入侵，來吃食微生物以及彼此相殘。第三，空間愈大，生活其中的最大型動物的體積也愈大，空間范圍可以一直擴大到最大的生態系統，例如草原或海洋。最后一點，生物多樣性最高（以物種數來衡量）的棲息地，是終年日光能源最豐富的地區，是冰雪最少的地區，是地理環境最多變的地區，同時也是長期氣候最穩定的地區。因此，位于亞洲、非洲和南美洲的赤道熱帶雨林，擁有數量最多的動植物種類。

且不論規模大小，所有地方的生物多樣性（biodiversity）都可以歸并成三個層次。最上層的是生態系統，例如雨林、珊瑚礁及湖泊等。其次為物種（species），它們是組成生態系統的成分，從海藻到鳳蝶，到海鰻，到人類。最下層則是各種各樣的基因（gene），它們是每個物種中個體的遺傳組成。