2018年5月23日，“深海勇士”號完成西沙深潛航次的最後一次下潛任務回到母船。在本航次中，

我國科學家乘坐“深海勇士”號載人深潛器在南海首次發現“冷水珊瑚林”和新的冷泉活動噴口

文/馮偉民

編輯/胡艷芬

　　在科幻作品中，水熊蟲的形象常被賦予超自然的能力，如2017年播出的美國科幻劇《星際迷航：發現號》中就有一個十分令人震撼的情節：巨型水熊蟲通過菌絲網絡在轉瞬間穿越到不同的宇宙空間。現實中，水熊蟲並沒有這種超能力（至少尚未被發現），但科學家們卻能通過它了解極端環境下的生命現象，甚至還有科學家嘗試將它與量子糾纏&&起來。量子糾纏是一種神奇的現象，允許粒子在空間中同時出現在不同位置，並在遠距離內共享信息。

　　20世紀70年代，隨着深海“黑煙囪”（指海底富含硫化物的高溫熱液活動區，因熱液噴出時形似“黑煙”而得名）和熱液生物群被發現，地球極端環境下的生命現象驚艷了全球。從此，極端環境下的生命現象和地球生命的生存邊界問題，獲得高度關注，相關探索成果不斷涌現。

　　近日，中國科學家在美國權威學術期刊《科學》雜誌在線發表了一項重大成果，破解了“極端生命體”水熊蟲的生存機制，為破解地球生命極端環境下的生命奇蹟又邁出重要一步。

極端環境下的生命現象

　　人類對極端環境下生命現象的探究還不足半個世紀。長期以來，對生命現象的認知主要局限於地表一個標準大氣壓、21%含氧量、平均氣溫15℃的正常環境，至少對於人類而言，這是一個宜居的生存環境。

　　然而，隨着科技發展一日千里，人類逐漸具備了涉足“處女地”的能力。上天入海，鑽地取樣，人類正在積累大量觀測研究數據，已經涉及一系列極端環境，如深海“黑煙囪”、冷泉、海鬥深淵以及陸地熱泉等。

　　1977年首次發現的熱液生物群，是人類在深海發現的第一個極端環境中的生命現象，伴隨“黑煙囪”生長繁殖。深海熱液生物群打開了新世界，讓人們認識到這是與地表生物完全不同的生物群。

　　它們生活在一片漆黑的深海海底，那裏“黑煙囪”林立，充滿還原氣體。“黑煙囪”溫度約為200~300℃，壓力約為300個標準大氣壓。除了在缺氧環境中繁衍的大量嗜熱微生物外，“黑煙囪”附近還密集分佈着管狀蠕蟲、雙殼類、腹足類、水母類、腕足動物、腸鰓動物、海蛇尾類及魚、蝦和蟹等。2007年中國科學家在西南印度洋發現了新的海底“黑煙囪”和熱液生物，實現了探索該領域零的突破。

　　1983年在墨西哥灣的佛羅裏達州附近人們首次發現了深海冷泉生物群。冷泉是指海底沉積界面之下以水、碳氫化合物、硫化氫、細粒沉積物等為主要成分的流體，以噴涌或滲漏方式從深海底溢出的現象，並伴隨一系列物理、化學、生物作用及其所形成的産物，冷泉主要分佈在大陸邊緣。冷泉附近往往發育着依賴這些流體生存的冷泉生物群，常見的有管狀蠕蟲、雙殼類、腹足類、螃蟹、海綿、棘皮、海葵、藤壺動物和微生物菌，構成了海底生物的又一個完整生態系統。2004年，中國科學家在南海北部東沙海域發現了第一個海底冷泉，將其命名為九龍甲烷礁。

　　冷水珊瑚林是在深海發現的第三大黑暗生態系統。冷水珊瑚主要出現在大西洋、美國西海岸太平洋地區和夏威夷海域。2018年5月，中國在南海1400余米的深處，首次發現了“冷水珊瑚林”。迄今為止，距離海平面以下6328米的大洋深處是發現冷水珊瑚最深的地方。

　　冷水珊瑚不需要陽光，生長緩慢，一年只長1毫米。它主要生活在200~1000米深、4~12℃的冷水裏，尤其是在有油氣或“可燃冰”的甲烷泄出的地方，可以在海底形成最高35米、長13公里的“丘”。深海冷水珊瑚主要以水中的浮游生物和從表層沉降下來的有機質顆粒為食。這些冷水珊瑚主要形成樹木、羽毛、柱狀或扇形的小樹叢，海綿、海葵、海參、蝦蟹等生物依附其中生活。因此，冷水珊瑚林又被譽為“海底森林”。

　　海鬥深淵一般指深度超過6000米的，具有極端高壓、低溫、高鹽、低溶解氧、陡峭閉合地形的深海溝。海鬥深淵分佈在大洋板塊向大陸板塊俯衝的地帶上，是地球上最深的海洋區域。

　　本世紀以來，人類在7000米以下深海發現深鼬鳚屬魚類、獅子魚；在8919米深的雅浦海溝底部，發現並捕獲了海參、海星、海葵、海綿等宏生物；在超9000米深海發現糠蝦；在馬裏亞納海溝西坑底部，捕獲了兩種不同類型的鉤蝦，採集了海參等。

圖為“冷泉”管狀蠕蟲群落

　　這些宏生物的出現，意味着在深淵環境中必然存在豐富的微生物類群，以支撐宏生物在此繁衍生息。中國科學家研究發現，深淵具有世界上極高的微生物多樣性、新穎性和新資源潛能。現在，馬裏亞納海溝作為最深的海鬥深淵，被稱之為深極，與南極、北極、青藏高原並稱為地球四極。

　　20世紀初，就有人推測深部地層水中有硫酸根細菌存在。1987年，美國為檢驗深埋地下核廢料的安全程度，實施了“地下科學計劃”，在地下2800米處發現了活的細菌。20世紀90年代後，人們通過石油鑽探和大洋鑽探，分別在北海和太平洋底下深部地層的各類岩樣中，甚至在玄武岩火山玻璃中都發現了微生物。中國開展的大陸超深鑽科學研究，也發現了地下4000米深處的微生物。

　　顯然，在地殼深部存在一個覆蓋全球的深部生物圈。經過概算，地球深部的生物量竟達到地球表層的1/10，佔全球微生物總量的2/3；洋底以下500米以內的地層中，微生物平均含量為1.5噸/公頃；地球上活的生物量，有30%存在於地下的“深部生物圈”裏；地球上的原核生物，有55%~85%存在於地下的“深部生物圈”裏。

　　地球極端環境中的生命現象並不局限於深海。陸地上分佈着大量熱泉，滾燙的熱泉中依然可見生命跡象。儘管熱泉中有大量還原性氣體——除二氧化碳外，還有一氧化碳、氫氣、氨氣和硫化氫——但都含有大量生物，比如藍藻、光合細菌、硫細菌。特別是有一類古細菌，在超過100℃的高溫下大量繁殖，而在溫度下降時則開啟休眠模式。在美國黃石公園熱泉和中國雲南騰衝熱泉中，就有大量嗜熱微生物。

生命生存邊界的新突破

　　地球極端環境中的物理和化學因子，往往超出了人類已知的絕大多數生物適宜棲息的極限值。如沙漠中的極高溫度、南極和北極的極端低溫、深海的高水壓、高山上的缺氧環境、鹽湖裏的高鹽度、沙漠中的無水乾燥環境，以及核輻射污染區域等等。

　　科學家在美國黃石國家公園的溫泉中，發現了能在96℃高溫中生存的細菌；在南極和西伯利亞的凍土帶中，發現了能在零下70℃低溫中生存的燈蛾毛蟲；在美國加利福尼亞的歐文斯鹽湖湖床中，發現了能在比海水鹽度高10倍環境中生存的細菌；在深海熔岩噴口附近，發現了能在高壓環境下生存的生物；在東太平洋的加拉帕戈斯群島附近，發現了能在缺氧環境中生存的化能自養菌；還有一種耐輻射球菌能在高達1.5萬戈瑞劑量的輻射中存活，被譽為世界上最堅韌的細菌。

　　從“黑煙囪”峭壁上，科學家捕捉到密密麻麻的硫細菌，看到隨熱液噴涌而出、如仙女散花般的硫細菌，而熱液的溫度是200~300℃，壓強可達300個標準大氣壓。海鬥深淵的壓強更是達到了極致超高的程度，是標準海平面的1000倍以上。

　　無論是“黑煙囪”上的硫細菌，還是海鬥深淵裏的微生物，都是宏生物的食物鏈基礎，並在地球不同位置，構建了各具特徵的生物群落。這揭示了地球上的生命可能遍佈世界每個角落，這也表明地球生命的生存邊界正在突破人類的認知。

　　根據近日披露的中國科學家對水熊蟲的研究成果，號稱“極端生命體”的水熊蟲顯示出其在超強輻射耐受機制上的“特異功能”。水熊蟲是緩步動物的俗稱，是一類微小的水生無脊椎動物，大部分體長不超過1毫米，分佈於北極、熱帶、深海、溫泉等世界各地，可耐受超強輻射、高溫、高壓、低溫、乾燥等多種極端環境。更神奇的是，水熊蟲甚至能在外太空真空環境中生存。水熊蟲掌握了幾乎無所不能適應奇蹟般的生存本領。看似微不足道的水熊蟲，再次突破了人們對於生命邊界的認知。

　　那麼，究竟如何界定地球生命的生存邊界呢？曾有科學家指出，或許可以參考地球的兩個鄰居火星和金星。金星表面溫度高達465～485℃,大氣壓強為90個標準大氣壓；火星表面平均溫度為零下63℃，平均地表氣壓在6百帕上下波動，不到地球大氣層的1%。在此範圍內，生命的蹤跡或許都可追尋。

人類將因生命新認知而獲益

　　極端環境下的生命奇蹟對於人類而言，是一個極大的 啟發，不僅豐富了我們對生命的認識，還為人類在科學研究、技術創新、新能源開發和應對極端環境挑戰等方面提供了寶貴的啟示和潛在的應用價值。

　　極端環境下的生命現象 啟發和推動了人類的技術創新和實際應用。例如，科學家在深海熱泉中發現了一種耐高溫的細菌——嗜熱菌，這種細菌能在120℃的高溫環境下生存，其細胞膜和蛋白質具有特殊的穩定性。這種發現為高溫環境下的生物技術提供了新的思路和應用。

　　極端環境下的生命現象還對人類在極端條件下的生存和適應能力提供了重要參考。例如，一些耐寒的生物能夠在極低溫度下生存，通過合成抗凍分子來保護自身。這種機制可以為人類在極寒環境中的生存提供新的思路和方法。

　　同時，這些具有極強生命力的有機體給人類以重要啟示：地球上的生命也許能夠在寒冷乾旱的火星氣候下、在木衛二的酸性環境下生存，甚至在太陽系外的其他宇宙空間中都有存活的可能。

　　中國科學家在對水熊蟲的研究中，基於組學分析得到2801個輻射相關變化基因。通過結合分子進化和功能特徵分析，科學家將河南高生熊蟲的輻射耐受機制歸為三大類——一是從細菌、真菌、植物水平轉移到水熊蟲的外來基因，賦予其特殊的抗逆能力，如生成甜菜色素進而清除活性氧；二是緩步動物特異蛋白傾向於高度無序，通過相分離促進DNA損傷修復等過程；三是與其他門類共有的古老蛋白在水熊蟲中具有特殊的輻照響應模式。

　　令科學家感到特別興奮的是，他們發現，在將水熊蟲中起抗輻射作用的分子轉入人源細胞後，可顯著提升後者的抗輻射能力。這充分説明此項研究具有重要潛在的應用前景，為研製抵禦超強輻射損害的“金鐘罩”找到了理論依據。或許人類將迎來不懼核輻射的新時代。

　　而深海熱液生物群不僅為我們揭示了生命能量的新來源，還為開發海底生物能源提供了豐富的資源和新思路。分佈於海底山表面的富鈷結殼和分佈於大洋中脊和斷裂活動帶的熱液多金屬硫化物，生活於深海熱液噴口區和海山區的生物群落，大陸邊緣的天然氣水合物等，都被認為是潛力很大、可供21世紀開發的新型能源。深海將成為21世紀多種自然資源的戰略性開發基地。

　　海鬥深淵極端環境下的生命現象不僅是科學上的巨大突破，也帶來了無法估量的現實應用價值。例如，科學家發現部分具有臨床應用前景的深淵微生物，像深淵鏈黴菌産生的系列化合物具有較好的抗菌活性，是萬古黴素的8倍。該系列化合物含有四氫吡喃環，還可作為化工或醫藥領域複雜化合物合成的前體或原料。深淵微生物具備耐受高壓和極端環境的特質，解析和挖掘相關的活性酶，將為工業酶的開發和利用提供寶貴的素材庫。

　　“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”是人類長久以來的夢想，當科技為人類插上翅膀，破解一個個極端環境生命的密碼，或許真有一天，人類將不用依靠厚重的航天服或裝備，就能實現天地間來回的自由，甚至海洋表深間跨越的自由，成為無所不能的“全能戰士”。

　　（作者係中國科學院南京地質古生物研究所研究員）