生命的极限有多深？
生命充斥在地球表面的每一个角落，就连没有光的大洋深处也有生命存在。但是地下多深是生命存在的极限呢？
最新的研究提供了一项证据，在12英里深的地下，仍然有细菌存在——它们很可能是生活在地下最深处的生命。了解生命的存在极限本身就很重要，同时这对于了解生命在其他气候和地表条件远逊于地球的星球的崛起也很重要。
“大多数研究都指出，地壳中的微生物能够存活的最大深度不超过几公里——也就是一英里左右，”耶鲁大学地质学与地球物理系的本科生Philippa Stoddard说。“如果我们的数据是正确的，将大大扩展我们对于地球生物圈范围的理解。”
Stoddard和她在耶鲁大学的同学考察了华盛顿州Lopez岛的岩石。他们在一处裸露的岩层中发现了文石岩脉，它们是在几百万年前由于地质运动过程从地下升到地表的。研究人员在这些岩脉中奇怪地发现了大量轻碳元素，这些碳元素通常是由分泌甲烷等含碳化合物的微生物产生的。
美国华盛顿州一个海滩上裸露的岩层。耶鲁大学的研究人员在这里发现了文石岩脉，里面居然有轻碳同位素，这说明里面有生命的印迹。
对此，一种可能的解释就是，这些生物曾经被埋在地下深处，从而改变了古代文石的碳同位素特征。这些微生物生活在地下很深的地方，所以必须承受极端的温度和压力——这说明生命非常顽强，能够承受地下的极端环境。
“我认为，我们的研究结果非常鼓舞人心，它说明在其他行星也可能存在生命，”Stoddard说。“我们对于地球上的极端环境了解越多，就会越发认识到生命的弹性有多大。”
这项惊人的发现最早开始于20世纪90年代。J. G. Feehan从1997年在Mark T. Brandon教授的指导下写博士论文的时候就开始进行实地研究，Brandon教授现在又成了Stoddard的学术导师。Feehan在1997年就已经发现文石中含有非常轻的碳同位素。
Feehan当时就指出，这种同位素特征说明地下非常深的地方有生命印迹。但是他的重点是文石岩脉的地球物理特征，所以他并没有深入研究这个地下生命的假设。
Stoddard和Brondon，以及耶鲁大学的Danny Rye教授决定继续挖掘这条线索。他们最近回到了华盛顿州的实地研究现场。
“Brandon教授和我回到了Feehan曾经研究过的Lopez岛的裸露岩层，看看能否证实他得到的数据，并更深入地考察地下生命这个假设，”Stoddard解释说。
就像Feehan曾经做过的一样，Stoddard也考察了两种碳同位素，即碳12和碳13，的比例。地球上的碳元素以碳12为主，它含有6个质子和6个中子，而碳13含有7个中子。
生命的存在会改变碳12与碳13的比例，因为大多数生物化学过程——进食、生长等等——都会将同位素分为较轻和较重的两大阵营。这个过程非常简单。低编号的同位素（碳12），质量比较高编号的同位素（碳13）轻。轻的物体，肯定比同样大小的重的物体更容易移动。同样，轻的同位素也更容易参与能量和分子反应推动的生物过程。
“因为碳12比较轻，所以在热力学上比碳13更活跃，”Stoddard说。“所以它移动得更快。”
甲烷是微生物产生的一种常见废料，含有一个碳原子和四个氢原子。当微生物消耗富碳的分子并排泄出甲烷时，含有碳12的甲烷会比含有碳13的甲烷更容易回到环境中去。最终环境中的碳同位素比例就会发生变化。
“微生物产生的甲烷中含重同位素的比例比标准的同位素比例高，”Stoddard说，“有些非生物过程也会分离碳同位素，但是效果往往没有这么明显。”
Lopez岛所在的San Juan群岛（圣胡安群岛）是1亿年前左右才形成的，那时还是恐龙的天下。在此之前，这些海底的岩石俯冲到附近的岩层之下，这个地质过程往往会发生在大洋板块和陆地板块相交的地方。
被埋在地壳之下，压力和热量使黑色的玄武岩发生变形，形成薄薄的白色文石岩脉。随着时间流逝，这里的微生物会在黑暗、酷热、高压的环境中，通过有条不紊的新陈代谢，排泄出甲烷，改变文石中的碳同位素比例。
地下水也会为微生物在这种环境下的生存提供便利。这里的温度可能超过121摄氏度，那么这些微生物是怎么生存下去的呢？与直觉相反，超高压在这里反而帮助了微生物的生存。高压可以使DNA等生物分子更加稳定，抵抗热量带来的破坏效果。
即使是现在，在地球上仍然在发生着这样的事情。这意味着地球的生物圈可能延伸到了地表以外好几英里。
“我们已经从过去20年的研究结果中发现，生命可以在及其多样性的生态系统中存在，甚至包括深海和冰川，如果地下深处可以让1亿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说。
同样，地外生命也可以靠这种策略在火星等严酷的环境中生存。
尽管地壳深处的生存环境有明显的缺陷，但是经过进化的微生物已经可以承受这样的环境，它们在严酷的地表环境中肯定也具有生存优势。
我们再次以火星为例。它的表面被宇宙粒子撞击的次数是地球的几百倍。火星没有磁场的保护，所以在火星表面形成的生命接触破坏性放射的可能性更大。而在地下，这种风险就小多了，被烫伤或冻伤的风险也会变小。
“地下的环境有可能对地外生命有利。因为在那里它们会受到更多的保护，不会接触到宇宙射线，也不会受到地表极端温度的影响，”Stoddard说。“我们在探索其他星球的时候要时刻记住这一点。”
Stoddard和她的同学还打算进一步研究Lopez岛的岩石，了解那里究竟有没有生命存在，以及这些生命是如何生活的。
“虽然我们的同位素数据已经在很大程度上表明地下深处有生命存在，但是对于那里的环境仍然有许多未知之处，有可能会影响我们的结论，”Stoddard说。“我们希望在未来的几个月能够详细描述出这个地下深处的生态系统。”
（作者：Adam Hadhazy；via mnn）
- 发表于 2015-02-24 00:00
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