地球深處發(fā)現(xiàn)大量生命
迄今為止，人們認(rèn)為生物的棲息處（即生物圈），主要是在地上與海里。地上存在大量靠吸收太陽能量一邊進(jìn)行光合作用一邊成長的植物，同時存在大量靠吃植物的動物。海里也一樣，存在靠吸收太陽能量生長的浮游植物群落，以及靠浮游植物為生的魚類等動物。顯然，要追本溯源的話，凡是涉及植物的光合成的都取自太陽的能量。
以前人們認(rèn)為，生物怎么也不能棲息在地下深處，因?yàn)槟抢锾柟庹丈洳坏?，氧氣也沒有，且高溫、高壓，環(huán)境嚴(yán)酷。但近年來，科學(xué)家出乎意料地發(fā)現(xiàn)，地下大量生息著各種微生物。它們完全不依靠太陽的能量，大多是靠從地球內(nèi)部涌現(xiàn)的化學(xué)能量合成有機(jī)物來生存。這樣的生活方式徹底推翻了我們此前掌握的科學(xué)常識，可謂是新的生命形式。
生息在地下深處巖石或地層縫隙的微生物中，有自太古時代起就被封存在地下生存至今的微生物。如果調(diào)查這些地底微生物，很有可能找到地球上生命的共同祖先，乃至生命起源的線索。另外，從這些棲息在特殊環(huán)境下的微生物中，有可能發(fā)現(xiàn)具備分解有毒物質(zhì)或合成有用物質(zhì)機(jī)能的微生物。
日本岐阜縣的東濃地質(zhì)中心為研究這樣的地下生命，特別是調(diào)查微生物的性質(zhì)或分布等，在東濃礦山的地下坑道成立了地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這是日本第一個正式進(jìn)行地下微生物研究的設(shè)施，也是世界上屈指可數(shù)的幾個地底實(shí)驗(yàn)室之一。我們隨廣島大學(xué)的長沼教授進(jìn)入地底世界。
“地下生物圈”的入口
東濃礦山建在深山綠水環(huán)抱中，這里有一棟高約20米左右的小高樓，東濃礦山的坑道入口就建在樓內(nèi)。東濃礦山是為了試挖分布在東濃地區(qū)的日本最大鈾礦而挖掘的，因鈾礦品質(zhì)不高而廢棄，后改作基礎(chǔ)研究用。
我們頭戴安全帽，身穿白大褂，手持手電筒乘坐升降機(jī)，只要一二分鐘就到達(dá)深約125米的地下。出了升降機(jī)，左邊流淌著潔凈的水可用來洗長筒靴子。據(jù)介紹，這種水是距今1萬多年前地面上的雨水，現(xiàn)在剛滲透到這個地層的。
下了升降梯，前面是筆直的長長坑道，長約250米。往坑道里走幾步，左邊即可看到明亮的燈光，那就是設(shè)在地下的地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
何以尋找地下的微生物
地下的溫度隨著深度的增加而升高。據(jù)測算每距地表深1 000米，地溫可上升20~30℃。我們知道，現(xiàn)階段生物生長的最高溫度記錄是113℃，所以樂觀地估計，生物生長的最高溫度值是120~150℃。由此估計在距地下5 000米左右的地方仍是微生物可能生息的環(huán)境。地面上的生物圈至多高度30~100米；占地球表面70%的大海，平均水深是3 800米。相比之下，地下生物圈是多么的巨大。如果估算這樣的地下微生物的生物量，有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過迄今為止所知道的陸地或海上的生物量總和。地下生物圈是地球最大的生物圈。這是地球上至今尚未開發(fā)的巨大生物圈。
地下生物圈不僅大，而且還徹底推翻過去的生物概念。它是一個全新的“另一個世界”。棲息在與地上不同的特殊條件下的微生物中，有可能發(fā)現(xiàn)一些目前我們尚不知的、具有特殊機(jī)能的微生物。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能分解原油或部分農(nóng)藥的微生物，以及剛剛發(fā)現(xiàn)的能固定二氧化碳的微生物、有關(guān)石油合成或鈾沉淀的微生物等。尋找具有這樣特殊機(jī)能的微生物是研究地下生物圈的目的之一。
當(dāng)然，專家希望最好地下存在著不依靠太陽光的能量，而能夠合成有機(jī)物養(yǎng)分的生物。因?yàn)檫@樣的生物或許是地球環(huán)境還處在無氧、高溫、高壓時代的活化石。為此有人說地下是“進(jìn)化的時間容器”，或者說是“地底的加拉帕戈斯（達(dá)爾文島）”。調(diào)查地底的微生物有可能了解與生命剛誕生時是幾乎同樣的環(huán)境。
地底的微生物研究室
地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是間僅有12平方米的小巧玲瓏的房間。研究室里側(cè)露出圓盤的部位有采樣地下水的鉆孔。從這個孔隨時能夠取出不與大氣接觸的、不同深度的地下水。采水點(diǎn)有3處，上面2個是取自沉積巖的水，下面1個是取自花崗巖的水。海底或湖底的淤泥等堆積物構(gòu)成的沉積巖，某種程度上可能有太陽能量的恩惠，也許含有光合成制造的有機(jī)物。但是由巖漿緩慢凝固的花崗巖完全是無機(jī)物的世界。通過花崗巖縫隙取來的地下水中，每毫升棲息著10萬~100萬個（數(shù)量與海洋表層相同）微生物。這樣的微生物是在無氧環(huán)境下生存的（厭氧性微生物）。為了在無氧狀態(tài)下采集包含這樣微生物的地下水，實(shí)驗(yàn)室裝備有充氮的無氧球形容器、在無菌狀態(tài)下處理試樣的凈化臺、保存試樣的冰箱，以及在高溫高壓下用于器具滅菌的高壓釜等設(shè)備。采集的水樣在無氧狀態(tài)下被送到其他微生物研究室進(jìn)行培養(yǎng)。
廣島大學(xué)的長沼教授說：“嫌氧性微生物被暴露在氧氣中有的活著有的死了。想要仔細(xì)知道的是暴露在氧氣中死去的那種微生物。這種微生物至今研究的很少?！?/p>
這個地下微生物研究室的最大特征是，把不同深度的地下水大量抽上來加以研究。長沼教授說；“例如分析各個微生物具有不同特性的脂肪酸（細(xì)胞膜等的成分），就能知道在地下某深度有什么類型的微生物，有多少。由于脂肪酸隨微生物的種類不同大小不一樣，分析脂肪酸就能調(diào)查在哪里有什么樣種類的微生物。由于脂肪酸的分析必需收集一定量的微生物試樣，這個研究室能隨時抽上大量地下水，所以能滿足要求。”
地下微生物的住處
地表附近的水，例如在農(nóng)田里的水等，每毫升有100萬~1 000萬個微生物。如果用顯微鏡看采自地下的水，每毫升能看到10萬~100萬個微生物。據(jù)該研究室的調(diào)查結(jié)果顯示，這個值幾乎到地下840米不變，甚至在近1 000米的地下，生存著幾乎與地上同樣數(shù)量的微生物。
長沼教授說：“地下微生物的住處是在地下的巖石等縫隙空間，微生物能潛入的地方。到距地表幾十米的地下，這個住處的比例是50%左右。東濃地區(qū)分布很多花崗巖，其縫隙占1%~2%。因微生物的大小只有1微米左右，所以只要有較此尺寸大的縫隙和水，微生物就有存在的可能性。
東濃實(shí)驗(yàn)室采取到的微生物中，發(fā)現(xiàn)有像美國黃石公園溫泉或礦山那樣的鐵錳細(xì)菌，也有能分解某種農(nóng)藥等的近緣微生物。
地道深處正在鉆取出地下巖石樣本的作業(yè)。由于樣本含有厭氧微生物，所以要放入脫氧劑進(jìn)行真空包裝運(yùn)到地上，經(jīng)處理后再作培養(yǎng)，并對其性質(zhì)、系統(tǒng)分類等進(jìn)行研究。
不同的生活方式
如果生命不能從某處獲得能量則無法生存。如前所述，迄今為止地上或海洋里的生物，如果追本溯源皆是發(fā)端于受太陽能量培育的植物生態(tài)系統(tǒng)。植物用太陽能量進(jìn)行光合作用，制造組成自己身體的物質(zhì)，儲存能量維持生命。動物們靠吃植物，用氧慢慢燃燒其養(yǎng)分（有機(jī)物）的反應(yīng)，即通過呼吸獲得能量。我們將這樣的生活方式稱為“靠太陽為生”的生活方式。
那么，在地底的大量生命是怎樣維持生命的呢？其方法是靠地底的巖石營養(yǎng)為生。所謂巖石營養(yǎng)是從無機(jī)物（二氧化碳）合成有機(jī)物。生存在無太陽或氧的地底的巖石營養(yǎng)生物，將氫或甲烷，硫化氫等氧化獲得化學(xué)能量。它們的氧化劑用的是二氧化碳或硫酸、硝酸、鐵、錳等一些物質(zhì)代替。像這樣獲得化學(xué)能量造出自己的有機(jī)物身體的生活方式，稱為“靠地球?yàn)樯钡纳罘绞健?/p>
地底世界居住著不依靠太陽光的能量、僅靠來自地球內(nèi)部的能量生活的生物。專家說，通過調(diào)查這樣的微生物，能夠知道地球上的生物到底有多少種生活方式。它們在怎樣的條件下能夠孕育生命，了解它們生存環(huán)境的極限，再一步人們就可追溯到生命的起源了。
逼近生命的起源
關(guān)于生命的起源有“湯汁說”與“黃鐵礦說”兩種?！皽f”是指原始地球的海洋像湯汁那樣含有大量的有機(jī)物，在那個湯汁中誕生最初的生命。近年來，人們關(guān)注德國瓦克塔沙烏扎提出的“黃鐵礦說”。即利用黃鐵礦生成時放出的化學(xué)能量從無機(jī)物合成有機(jī)物，在黃鐵礦的表面誕生最初的生命。
從地球當(dāng)時的環(huán)境來考慮，地球最初的生命是在無氧地方生存的“厭氧性微生物”。接著是用氧制取能量的“需氧性微生物”線粒體的祖先出現(xiàn)，將線粒體納入細(xì)胞內(nèi)，就誕生了作為現(xiàn)在高等生物起源的真核生物。這就是現(xiàn)在有關(guān)生命起源的假說之一。
事實(shí)上，在東濃地下的鈾礦石附近，研究人員發(fā)現(xiàn)有厭氧性微生物制造的黃鐵礦，這種由微生物制造的黃鐵礦稱為木莓形的“微球團(tuán)鐵礦”。也有專家從這個事實(shí)推測，與營養(yǎng)物質(zhì)完全隔絕的微生物只能從鈾的沉淀物中獲取支持生命延續(xù)的力量。換言之，微生物與鈾的沉淀物有密切關(guān)系。
最終的目標(biāo)與夢
地下是高溫高壓，既無氧又無光的嚴(yán)酷環(huán)境。在討論地下生物圈生物量的同時，還應(yīng)想到地下生物是地球誕生的原始生命的直系子孫，而非地上生物。不僅如此，作為地球生物圈旮旯的地底那樣的極限地帶，也是與外星世界的交接點(diǎn)。地球上生命的起源是怎么回事？要解開這個謎，知道極限環(huán)境下生物是重要的。如果了解地下微生物各式各樣富于靈活的生命活動方式，就應(yīng)考慮生命是在宇宙到處誕生的，所以將來如果在挖掘火星的地下與木星的歐羅巴衛(wèi)星的冰殼時發(fā)現(xiàn)存在生命，就不奇怪了。
地球內(nèi)部的巨大地下生物圈為我們探索生命起源乃至外星生命存在的可能性提供了線索，也是地球上尚未開拓的廣闊疆域。
