生命的極限有多深？

生命充斥在地球表面的每一個角落，就連沒有光的大洋深處也有生命存在。但是地下多深是生命存在的極限呢？

最新的研究提供了一項證據，在12英里深的地下，仍然有細菌存在——它們很可能是生活在地下最深處的生命。了解生命的存在極限本身就很重要，同時這對于了解生命在其他氣候和地表條件遠遜于地球的星球的崛起也很重要。

“大多數研究都指出，地殼中的微生物能夠存活的最大深度不超過幾公里——也就是一英里左右，”耶魯大學地質學與地球物理系的本科生Philippa Stoddard說。“如果我們的數據是正確的，將大大擴展我們對于地球生物圈范圍的理解。”

Stoddard和她在耶魯大學的同學考察了華盛頓州Lopez島的巖石。他們在一處裸露的巖層中發現了文石巖脈，它們是在幾百萬年前由于地質運動過程從地下升到地表的。研究人員在這些巖脈中奇怪地發現了大量輕碳元素，這些碳元素通常是由分泌甲烷等含碳化合物的微生物產生的。

美國華盛頓州一個海灘上裸露的巖層。耶魯大學的研究人員在這里發現了文石巖脈，里面居然有輕碳同位素，這說明里面有生命的印跡。

對此，一種可能的解釋就是，這些生物曾經被埋在地下深處，從而改變了古代文石的碳同位素特征。這些微生物生活在地下很深的地方，所以必須承受極端的溫度和壓力——這說明生命非常頑強，能夠承受地下的極端環境。

“我認為，我們的研究結果非常鼓舞人心，它說明在其他行星也可能存在生命，”Stoddard說。“我們對于地球上的極端環境了解越多，就會越發認識到生命的彈性有多大。”

這項驚人的發現最早開始于20世紀90年代。J. G. Feehan從1997年在Mark T. Brandon教授的指導下寫博士論文的時候就開始進行實地研究，Brandon教授現在又成了Stoddard的學術導師。Feehan在1997年就已經發現文石中含有非常輕的碳同位素。

Feehan當時就指出，這種同位素特征說明地下非常深的地方有生命印跡。但是他的重點是文石巖脈的地球物理特征，所以他并沒有深入研究這個地下生命的假設。

Stoddard和Brondon，以及耶魯大學的Danny Rye教授決定繼續挖掘這條線索。他們最近回到了華盛頓州的實地研究現場。

“Brandon教授和我回到了Feehan曾經研究過的Lopez島的裸露巖層，看看能否證實他得到的數據，并更深入地考察地下生命這個假設，”Stoddard解釋說。

就像Feehan曾經做過的一樣，Stoddard也考察了兩種碳同位素，即碳12和碳13，的比例。地球上的碳元素以碳12為主，它含有6個質子和6個中子，而碳13含有7個中子。

生命的存在會改變碳12與碳13的比例，因為大多數生物化學過程——進食、生長等等——都會將同位素分為較輕和較重的兩大陣營。這個過程非常簡單。低編號的同位素（碳12），質量比較高編號的同位素（碳13）輕。輕的物體，肯定比同樣大小的重的物體更容易移動。同樣，輕的同位素也更容易參與能量和分子反應推動的生物過程。

“因為碳12比較輕，所以在熱力學上比碳13更活躍，”Stoddard說。“所以它移動得更快。”

甲烷是微生物產生的一種常見廢料，含有一個碳原子和四個氫原子。當微生物消耗富碳的分子并排泄出甲烷時，含有碳12的甲烷會比含有碳13的甲烷更容易回到環境中去。最終環境中的碳同位素比例就會發生變化。

“微生物產生的甲烷中含重同位素的比例比標準的同位素比例高，”Stoddard說，“有些非生物過程也會分離碳同位素，但是效果往往沒有這么明顯。”

Lopez島所在的San Juan群島（圣胡安群島）是1億年前左右才形成的，那時還是恐龍的天下。在此之前，這些海底的巖石俯沖到附近的巖層之下，這個地質過程往往會發生在大洋板塊和陸地板塊相交的地方。

被埋在地殼之下，壓力和熱量使黑色的玄武巖發生變形，形成薄薄的白色文石巖脈。隨著時間流逝，這里的微生物會在黑暗、酷熱、高壓的環境中，通過有條不紊的新陳代謝，排泄出甲烷，改變文石中的碳同位素比例。

地下水也會為微生物在這種環境下的生存提供便利。這里的溫度可能超過121攝氏度，那么這些微生物是怎么生存下去的呢？與直覺相反，超高壓在這里反而幫助了微生物的生存。高壓可以使DNA等生物分子更加穩定，抵抗熱量帶來的破壞效果。

即使是現在，在地球上仍然在發生著這樣的事情。這意味著地球的生物圈可能延伸到了地表以外好幾英里。

“我們已經從過去20年的研究結果中發現，生命可以在及其多樣性的生態系統中存在，甚至包括深海和冰川，如果地下深處可以讓1億年前的的微生物生存，那么今天的微生物也可以在那里生存”，Stoddard說。

同樣，地外生命也可以靠這種策略在火星等嚴酷的環境中生存。

盡管地殼深處的生存環境有明顯的缺陷，但是經過進化的微生物已經可以承受這樣的環境，它們在嚴酷的地表環境中肯定也具有生存優勢。

我們再次以火星為例。它的表面被宇宙粒子撞擊的次數是地球的幾百倍。火星沒有磁場的保護，所以在火星表面形成的生命接觸破壞性放射的可能性更大。而在地下，這種風險就小多了，被燙傷或凍傷的風險也會變小。

“地下的環境有可能對地外生命有利。因為在那里它們會受到更多的保護，不會接觸到宇宙射線，也不會受到地表極端溫度的影響，”Stoddard說。“我們在探索其他星球的時候要時刻記住這一點。”

Stoddard和她的同學還打算進一步研究Lopez島的巖石，了解那里究竟有沒有生命存在，以及這些生命是如何生活的。

“雖然我們的同位素數據已經在很大程度上表明地下深處有生命存在，但是對于那里的環境仍然有許多未知之處，有可能會影響我們的結論，”Stoddard說。“我們希望在未來的幾個月能夠詳細描述出這個地下深處的生態系統。”

（作者：Adam Hadhazy；via mnn）

發表于 2015-02-24 00:00
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