地球表面深处，生命起源的线索 |广达杂志

26 年 1961 月 240 日午夜时分，一艘改装过的海军驳船在太平洋中剧烈摇晃，漆黑的海水拍打着它的船体。小说家约翰·斯坦贝克 (John Steinbeck) 说，这艘船刚刚抵达距巴哈半岛约 XNUMX 公里的这个地点，经过三天的海上奋战，船员们用沉重的链条将装备绑在甲板上，“就像一头流氓大象”。当时在船上， 后来写给 生活 杂志.

回到岸上，关于船员们目标的谣言四起。一些人推测他们是在寻找钻石或沉没的宝藏。其他人怀疑他们正在海底寻找藏匿导弹的地方。但该团队的目标比最疯狂的传闻还要崇高。这个计划是在地质学家沃尔特·蒙克 (Walter Munk) 位于拉霍亚 (La Jolla) 的家中享用含酒精的早餐时酝酿出来的，其目的是钻一个深孔，使其能够穿透地壳并到达地幔，地幔是夹在地壳和地幔之间的炽热岩石层。它的核心。

现在，距莫霍尔计划 62 年多，科学家们仍未能成功钻穿完整的地壳部分。但去年春天，这艘已有数十年历史的钻井船上的一个团队 JOIDES决议 完成了第二件最好的事情：他们从地壳特别薄的大西洋海底区域取回了一批地幔岩石。该地点位于一座名为亚特兰蒂斯地块的海底山脉顶部，那里的构造板块缓慢移动，将地幔岩石块推向更靠近地表的位置。

虽然地幔构成了我们星球的大部分，但它的岩石通常埋在地表以下数公里处，使得新鲜样本很难取回。但去年春天挖掘出的地幔岩石可以为地球的深层运作提供线索，并帮助研究人员更好地了解对我们世界至关重要的构造运动。

新收集的岩石也可能提供我们星球的另一个决定性特征——生命的线索。

当海水遇到地幔岩石时，一系列化学反应会产生一种混合物，可以产生点燃生命第一颗火花所需的有机化合物。科学家们已经在失落之城热液喷口系统中发现了在没有微生物帮助的情况下产生有机小分子的迹象，失落之城热液喷口系统是亚特兰蒂斯地块顶部庞大的地质大都市。一些科学家长期以来一直推测，这样的环境可能孕育了我们星球上最早的生命形式。现在，该团队最近钻探的孔位于海底以下一公里多处，似乎已经深入到了这个热液系统的心脏。

“这为我们打开了一个充满可能性的世界，”说 苏珊·朗（Susan Lang）是伍兹霍尔海洋研究所的生物地球化学家，也是这次探险的共同领导者。

已经有迹象表明，井眼水中的高浓度氢气可能可以为有机合成提供动力。这个自然实验室有望帮助团队解开从失落之城的塔楼中流淌出来的赋予生命的炖菜的起源，使他们能够研究一个没有有机体的世界的有机化学——生命存在之前或生命出现时的生命化学。极其稀缺。在极端的地下条件下生存下来的少数微生物也可能为最早的生物如何谋生提供线索，最终帮助科学家破译将化合物变成生物的关键步骤。

建造一座失落的城市

朗仍然记得大约二十年前的那一天，当时她获得了船上的一个泊位，对失落之城的喷口进行了首次详细研究。激动的泪水淹没了她的眼睛。 “我没有与任何人核实就答应了，”当时是华盛顿大学研究生的朗说。

她的热情反映了失落之城的革命性本质，其闪闪发光、半透明的热水柱首先被研究船上的科学家发现 亚特兰蒂斯 2000年。当时，所有其他已知的热液喷口系统都是黑暗的，火山硫化物将浓烟滚滚的灼热液体喷入海洋，烟囱变黑。但失落之城的尖塔却是幽灵般的白色。

科学家们很快了解到，浅色调源于海水与亚特兰蒂斯地块内岩石之间的反应。这座海底山比雷尼尔山高一点，主要由橄榄岩构成，橄榄岩是一种主宰上地幔的岩石。这座山是由附近大西洋中脊的平稳变化形成的，北美和非洲的构造板块在那里缓慢地分开。这个动作 剥去了上层地壳 从上升的山峰上，露出了大片的橄榄岩核心。

橄榄岩通常徘徊在数英里厚的地壳下。它距离地球表面太近，不稳定，海水可能会渗入岩石的裂缝中。当这种情况发生时，橄榄岩中占主导地位的一种叫做橄榄石的矿物很容易与水分子发生反应，引发一系列称为蛇纹石化的化学步骤。这个过程使水呈高度碱性，因此当裂缝中的液体与新鲜海水混合时，苍白的矿物质会沉淀出来，形成失落之城令人惊叹的尖塔，这些尖塔高达一米高。 20层楼.

但蛇纹石化的另一种副产品——氢气，几十年来一直吸引着朗和其他科学家来到该地点。在适当的条件下，氢气可以为简单的化学反应提供燃料，例如在没有微生物帮助（或非生物方式）的情况下将二氧化碳和水转化为小有机化合物。持续的反应可以产生更大、更复杂的有机分子，也许可以制造 恰到好处的成分组合 ——糖、脂肪、氨基酸——孕育出最早的生命形式。另外，氢和小有机物也可能为地球上最早的居民提供了食物。 “氢就像一切的关键，”朗说。

这种气体在早期地球上可能更为常见，当时地表的矿物构成与今天不同，使得蛇纹石化反应更加常见。

在亚特兰蒂斯地块，朗和她的同事想知道哪些有机化合物可以在没有微生物帮助的情况下形成，以及哪些微生物可以在这种不寻常的地下自助餐中生存。这些结果可以提供有关最早的生命形式如何谋生以及这些古代微生物之前的化学反应的线索。

但如今，地球表面无论是水面还是水下都充满了生命，因此很难识别在没有生物学帮助的情况下产生的化合物。在《失落之城》中尤其如此。 “你可以看到那些烟囱上长满了流鼻涕的生物膜，”说 威廉·布拉泽尔顿，犹他大学的微生物学家和 乔伊迪斯 队员。

因此，研究人员将目光投向了海底以下的领域，那里微生物稀少，氧气稀缺，创造了与早期地球相似的条件。正如布拉泽尔顿所说，“我们确实需要更深入。”

寻找天然实验室

1960 世纪 XNUMX 年代，“莫霍尔计划”标志着在“科学英雄”时代探索地球未探索深度的努力的开始。 达蒙·蒂格尔是南安普顿大学的地球化学家，也是多次科学海洋钻探探险的资深人士。

这个名字是对莫霍洛维奇不连续面（或莫霍面）的一种演绎，它定义了地壳和地幔之间的边界。在大陆之下，莫霍面深达 30 多公里；在海底之下，接近7公里。正因为如此，瞄准地幔的团队通常选择从船上进行钻探。

莫霍尔计划甚至没有接近其目标，只是 钻透 179 米的沉积物和仅 4 米的海底岩石。然而，即使这样的努力也揭示了有关我们星球的大量信息，包括隐藏在海底沉积物下的是相对年轻的火山岩这一事实——这一发现后来成为板块构造论的关键证据。它还产生了一些技术，这些技术演变成科学家们仍在使用的系统，包括船上的一些技术 JOIDES决议 过去的这个春天。

然而，即使在今天，深海钻探仍然面临着巨大的挑战。一方面，钻穿硬岩会迅速磨损钻头，迫使定期更换钻头，并且需要从 一艘船 在数百或数千米的水面上漂浮，就像将针放入针孔中一样。更糟糕的是，去年春天的探险活动开局并不顺利。当团队正在钻第一个导向孔时，他们的钻头被卡住了，为了防止船永远锚定在亚特兰蒂斯地块，船员们用炸药炸断了连接。然后，允许钻头多次重新进入钻孔的系统的一部分破裂了。

凭借一点创造力，他们终于在现在称为 U1601C 的地点进行了钻探，该地点位于水下近 850 米处。就在那时，他们的运气发生了变化。

在大多数海底钻探探险中，进展缓慢，每三个小时左右就会将岩芯拖到甲板上。但一旦 乔伊迪斯 团队开始行动，他们几乎每小时都在船上运送新鲜的核心。处理岩心的科学家们几乎跟不上，在他们意识到之前，钻头已经撞击了地幔岩石。

在这次探险之前，人们钻探蚀变地幔岩石的最远距离是 200米。 但 乔伊迪斯 团队在短短几天内就完成了这段距离，最终钻通了 1,267.8米 主要是橄榄岩。 “这真是太了不起了，”蒂格尔说，他没有参与最近的项目。

对于朗来说，最大的惊喜之一隐藏在钻孔深处。取出最后一个岩心后，工作人员用清水冲洗了空洞，并在 72 小时内让自然液体和气体重新渗入。然后，他们收集了不同深度的钻孔水，并将其分开进行十多项化学测试，包括氢气分析。

朗预计到目前为止在地下深处最多能找到微量的氢气。但最深的水样含有大量气体，当它浮出水面时，管内会形成气泡，这种现象类似于打开一罐新鲜的苏打水时发生的情况。

“我们当时的反应就是，天哪，”朗回忆起她自己和布拉泽尔顿的反应时说道。 “其中涉及很多脏话。”

这些水域充满了氢气，这是非生物反应所需的燃料。

积木中的积木

探险结束六个多月后，该团队仍在处理大量样本——研究水化学、识别微生物、表征岩石等等。 “人们将对这些岩石进行一整套字母表元素分析，”说 安德鲁·麦凯格是这次探险活动的共同领导者，利兹大学的地质学家。

初步模型暗示，钻孔底部附近的温度甚至可​​能达到 122 摄氏度，这是目前已知的生命极限（尽管 一些研究 建议该限制可能会更高）。朗警告说，这些模型需要确认，因为它们是基于钻井过程中循环的冷水稍微抑制井眼温度时进行的测量。不过，如果条件被证实如此极端，那么这个深度将允许科学家在不受微生物影响的情况下研究生命燃料化学反应。

对于科学家研究生命的水起源来说，这将是向前迈出的重要一步。 “在今天的地球上，很难目睹非生物或生命起源前的化学反应，因为生命占主导地位；生命无处不在”说 劳里·驳船是美国宇航局喷气推进实验室的天体生物学家，他没有参加这次探险。

早期分析还表明，钻孔水中存在少量有机酸甲酸盐。甲酸盐是最简单的化合物之一，可以通过二氧化碳和氢气之间的反应以非生物方式形成，它可能标志着早期地球生命的最初曙光迈出了第一步。

“这是建造积木的原材料，”郎说。与甲酸盐的持续非生物反应可能会产生更大的有机化合物，例如氨基酸，它们可以组合成生命必需的分子，例如酶和其他蛋白质。

但亚特兰蒂斯地块的大部分化学图像仍然模糊。钻孔深处的甲酸盐可能是在没有微生物帮助的情况下形成的，就像在附近较浅的地下一样，但需要更多的测试来确定。水中还含有甲烷，一些科学家认为这种化合物对于早期新陈代谢至关重要，并且可以通过与氢的反应以非生物方式产生。但失落之城的甲烷是如何形成的却是另一个谜——它“复杂且令人困惑，”布拉泽尔顿说。

巴奇解释说，识别自然界中的非生物反应可以为未来测试生命前化学的实验室实验提供信息，研究人员可以调整条件以更接近地模拟早期地球或其他世界。 “失落之城是一个非常特别的地方，”她说。

寻找微生物

即使深井中并​​非没有生命，回收的岩芯数量几乎是空前的，这将有助于科学家将水化学和岩石类型的变化与可能在地下生存的少数微生物联系起来。研究微生物如何在稀缺的地下资源中生存——也许是通过吃氢和其他非生物形成的化合物——可以帮助我们加深对早期生命的了解。

布拉泽尔顿尤其致力于寻找微生物用来将氢和小有机化合物转化为能量的特定酶。布拉泽尔顿说：“这里的整个想法是，岩石中会发生化学反应，在某种程度上，化学反应会变成生命。”这些酶可能只是帮助研究人员倒转进化时钟以破译最早的新陈代谢是如何形成的旋钮。

解释说，其他努力的重点是孵化岩石样本并试图捕捉活动中的深层微生物。 王凤萍，上海交通大学领导这项工作的地球微生物学家。王研究地下生命已有近二十年，但她和其他深层生物圈研究人员主要寻找隐藏在海洋沉积物中的微生物。 “我们对岩石微生物知之甚少，”她说。 “这是深层生物圈中最后的问题之一：坚硬的岩石里有什么？”

为了寻找答案，王在船上粉碎了数百个岩心样本，将每个样本放入金属反应管或玻璃瓶中。她在样品中添加了各种食物——这是一份适合未知饮食多样性的微生物品尝菜单。然后她在不同温度下孵育样品，看看会生长什么。

总的来说，她设置了近 800 个孵化器，并在船上实验室与它们合影留念，“以展示我的辛勤工作”，她笑着说。照片中，她面前的桌子每一寸都堆满了玻璃瓶，这只是她样品总数的一小部分。

王的初步结果显示，一些样本中含有过量的甲烷，但这些气体是否来自打嗝的微生物或岩石的反应尚不清楚。

许多领域的科学家都在热切等待该团队的发现。 “我们肯定会更好地了解……实际发生的化学过程，”说 宫崎芳德，加州理工学院地球物理学家。

然而，围绕最新作品的兴奋和胜利也夹杂着悲伤。这次探险是最后一次探险之一 JOIDES决议经过四十年对世界各地海水的开创性研究后，该系统将于 2024 年底退役。目前还没有更换这艘船的具体计划，这给美国科学家的海洋研究留下了一个巨大的空白。

在其漫长的任期内，船上的探险活动 JOIDES决议 已从海底回收了超过 350 公里的岩芯。这个地质宝库中隐藏着我们星球过去的许多秘密——气候的变化、海洋化学，或许还有其他有关生命起源的线索。但更多的信息仍然被锁在海底的岩石中，等待被发现。