2018年5月23日，“深海勇士”号完成西沙深潜航次的最后一次下潜任务回到母船。在本航次中，

我国科学家乘坐“深海勇士”号载人深潜器在南海首次发现“冷水珊瑚林”和新的冷泉活动喷口

文/冯伟民

编辑/胡艳芬

　　在科幻作品中，水熊虫的形象常被赋予超自然的能力，如2017年播出的美国科幻剧《星际迷航：发现号》中就有一个十分令人震撼的情节：巨型水熊虫通过菌丝网络在转瞬间穿越到不同的宇宙空间。现实中，水熊虫并没有这种超能力（至少尚未被发现），但科学家们却能通过它了解极端环境下的生命现象，甚至还有科学家尝试将它与量子纠缠联系起来。量子纠缠是一种神奇的现象，允许粒子在空间中同时出现在不同位置，并在远距离内共享信息。

　　20世纪70年代，随着深海“黑烟囱”（指海底富含硫化物的高温热液活动区，因热液喷出时形似“黑烟”而得名）和热液生物群被发现，地球极端环境下的生命现象惊艳了全球。从此，极端环境下的生命现象和地球生命的生存边界问题，获得高度关注，相关探索成果不断涌现。

　　近日，中国科学家在美国权威学术期刊《科学》杂志在线发表了一项重大成果，破解了“极端生命体”水熊虫的生存机制，为破解地球生命极端环境下的生命奇迹又迈出重要一步。

极端环境下的生命现象

　　人类对极端环境下生命现象的探究还不足半个世纪。长期以来，对生命现象的认知主要局限于地表一个标准大气压、21%含氧量、平均气温15℃的正常环境，至少对于人类而言，这是一个宜居的生存环境。

　　然而，随着科技发展一日千里，人类逐渐具备了涉足“处女地”的能力。上天入海，钻地取样，人类正在积累大量观测研究数据，已经涉及一系列极端环境，如深海“黑烟囱”、冷泉、海斗深渊以及陆地热泉等。

　　1977年首次发现的热液生物群，是人类在深海发现的第一个极端环境中的生命现象，伴随“黑烟囱”生长繁殖。深海热液生物群打开了新世界，让人们认识到这是与地表生物完全不同的生物群。

　　它们生活在一片漆黑的深海海底，那里“黑烟囱”林立，充满还原气体。“黑烟囱”温度约为200~300℃，压力约为300个标准大气压。除了在缺氧环境中繁衍的大量嗜热微生物外，“黑烟囱”附近还密集分布着管状蠕虫、双壳类、腹足类、水母类、腕足动物、肠鳃动物、海蛇尾类及鱼、虾和蟹等。2007年中国科学家在西南印度洋发现了新的海底“黑烟囱”和热液生物，实现了探索该领域零的突破。

　　1983年在墨西哥湾的佛罗里达州附近人们首次发现了深海冷泉生物群。冷泉是指海底沉积界面之下以水、碳氢化合物、硫化氢、细粒沉积物等为主要成分的流体，以喷涌或渗漏方式从深海底溢出的现象，并伴随一系列物理、化学、生物作用及其所形成的产物，冷泉主要分布在大陆边缘。冷泉附近往往发育着依赖这些流体生存的冷泉生物群，常见的有管状蠕虫、双壳类、腹足类、螃蟹、海绵、棘皮、海葵、藤壶动物和微生物菌，构成了海底生物的又一个完整生态系统。2004年，中国科学家在南海北部东沙海域发现了第一个海底冷泉，将其命名为九龙甲烷礁。

　　冷水珊瑚林是在深海发现的第三大黑暗生态系统。冷水珊瑚主要出现在大西洋、美国西海岸太平洋地区和夏威夷海域。2018年5月，中国在南海1400余米的深处，首次发现了“冷水珊瑚林”。迄今为止，距离海平面以下6328米的大洋深处是发现冷水珊瑚最深的地方。

　　冷水珊瑚不需要阳光，生长缓慢，一年只长1毫米。它主要生活在200~1000米深、4~12℃的冷水里，尤其是在有油气或“可燃冰”的甲烷泄出的地方，可以在海底形成最高35米、长13公里的“丘”。深海冷水珊瑚主要以水中的浮游生物和从表层沉降下来的有机质颗粒为食。这些冷水珊瑚主要形成树木、羽毛、柱状或扇形的小树丛，海绵、海葵、海参、虾蟹等生物依附其中生活。因此，冷水珊瑚林又被誉为“海底森林”。

　　海斗深渊一般指深度超过6000米的，具有极端高压、低温、高盐、低溶解氧、陡峭闭合地形的深海沟。海斗深渊分布在大洋板块向大陆板块俯冲的地带上，是地球上最深的海洋区域。

　　本世纪以来，人类在7000米以下深海发现深鼬鳚属鱼类、狮子鱼；在8919米深的雅浦海沟底部，发现并捕获了海参、海星、海葵、海绵等宏生物；在超9000米深海发现糠虾；在马里亚纳海沟西坑底部，捕获了两种不同类型的钩虾，采集了海参等。

图为“冷泉”管状蠕虫群落

　　这些宏生物的出现，意味着在深渊环境中必然存在丰富的微生物类群，以支撑宏生物在此繁衍生息。中国科学家研究发现，深渊具有世界上极高的微生物多样性、新颖性和新资源潜能。现在，马里亚纳海沟作为最深的海斗深渊，被称之为深极，与南极、北极、青藏高原并称为地球四极。

　　20世纪初，就有人推测深部地层水中有硫酸根细菌存在。1987年，美国为检验深埋地下核废料的安全程度，实施了“地下科学计划”，在地下2800米处发现了活的细菌。20世纪90年代后，人们通过石油钻探和大洋钻探，分别在北海和太平洋底下深部地层的各类岩样中，甚至在玄武岩火山玻璃中都发现了微生物。中国开展的大陆超深钻科学研究，也发现了地下4000米深处的微生物。

　　显然，在地壳深部存在一个覆盖全球的深部生物圈。经过概算，地球深部的生物量竟达到地球表层的1/10，占全球微生物总量的2/3；洋底以下500米以内的地层中，微生物平均含量为1.5吨/公顷；地球上活的生物量，有30%存在于地下的“深部生物圈”里；地球上的原核生物，有55%~85%存在于地下的“深部生物圈”里。

　　地球极端环境中的生命现象并不局限于深海。陆地上分布着大量热泉，滚烫的热泉中依然可见生命迹象。尽管热泉中有大量还原性气体——除二氧化碳外，还有一氧化碳、氢气、氨气和硫化氢——但都含有大量生物，比如蓝藻、光合细菌、硫细菌。特别是有一类古细菌，在超过100℃的高温下大量繁殖，而在温度下降时则开启休眠模式。在美国黄石公园热泉和中国云南腾冲热泉中，就有大量嗜热微生物。

生命生存边界的新突破

　　地球极端环境中的物理和化学因子，往往超出了人类已知的绝大多数生物适宜栖息的极限值。如沙漠中的极高温度、南极和北极的极端低温、深海的高水压、高山上的缺氧环境、盐湖里的高盐度、沙漠中的无水干燥环境，以及核辐射污染区域等等。

　　科学家在美国黄石国家公园的温泉中，发现了能在96℃高温中生存的细菌；在南极和西伯利亚的冻土带中，发现了能在零下70℃低温中生存的灯蛾毛虫；在美国加利福尼亚的欧文斯盐湖湖床中，发现了能在比海水盐度高10倍环境中生存的细菌；在深海熔岩喷口附近，发现了能在高压环境下生存的生物；在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近，发现了能在缺氧环境中生存的化能自养菌；还有一种耐辐射球菌能在高达1.5万戈瑞剂量的辐射中存活，被誉为世界上最坚韧的细菌。

　　从“黑烟囱”峭壁上，科学家捕捉到密密麻麻的硫细菌，看到随热液喷涌而出、如仙女散花般的硫细菌，而热液的温度是200~300℃，压强可达300个标准大气压。海斗深渊的压强更是达到了极致超高的程度，是标准海平面的1000倍以上。

　　无论是“黑烟囱”上的硫细菌，还是海斗深渊里的微生物，都是宏生物的食物链基础，并在地球不同位置，构建了各具特征的生物群落。这揭示了地球上的生命可能遍布世界每个角落，这也表明地球生命的生存边界正在突破人类的认知。

　　根据近日披露的中国科学家对水熊虫的研究成果，号称“极端生命体”的水熊虫显示出其在超强辐射耐受机制上的“特异功能”。水熊虫是缓步动物的俗称，是一类微小的水生无脊椎动物，大部分体长不超过1毫米，分布于北极、热带、深海、温泉等世界各地，可耐受超强辐射、高温、高压、低温、干燥等多种极端环境。更神奇的是，水熊虫甚至能在外太空真空环境中生存。水熊虫掌握了几乎无所不能适应奇迹般的生存本领。看似微不足道的水熊虫，再次突破了人们对于生命边界的认知。

　　那么，究竟如何界定地球生命的生存边界呢？曾有科学家指出，或许可以参考地球的两个邻居火星和金星。金星表面温度高达465～485℃,大气压强为90个标准大气压；火星表面平均温度为零下63℃，平均地表气压在6百帕上下波动，不到地球大气层的1%。在此范围内，生命的踪迹或许都可追寻。

人类将因生命新认知而获益

　　极端环境下的生命奇迹对于人类而言，是一个极大的启发，不仅丰富了我们对生命的认识，还为人类在科学研究、技术创新、新能源开发和应对极端环境挑战等方面提供了宝贵的启示和潜在的应用价值。

　　极端环境下的生命现象启发和推动了人类的技术创新和实际应用。例如，科学家在深海热泉中发现了一种耐高温的细菌——嗜热菌，这种细菌能在120℃的高温环境下生存，其细胞膜和蛋白质具有特殊的稳定性。这种发现为高温环境下的生物技术提供了新的思路和应用。

　　极端环境下的生命现象还对人类在极端条件下的生存和适应能力提供了重要参考。例如，一些耐寒的生物能够在极低温度下生存，通过合成抗冻分子来保护自身。这种机制可以为人类在极寒环境中的生存提供新的思路和方法。

　　同时，这些具有极强生命力的有机体给人类以重要启示：地球上的生命也许能够在寒冷干旱的火星气候下、在木卫二的酸性环境下生存，甚至在太阳系外的其他宇宙空间中都有存活的可能。

　　中国科学家在对水熊虫的研究中，基于组学分析得到2801个辐射相关变化基因。通过结合分子进化和功能特征分析，科学家将河南高生熊虫的辐射耐受机制归为三大类——一是从细菌、真菌、植物水平转移到水熊虫的外来基因，赋予其特殊的抗逆能力，如生成甜菜色素进而清除活性氧；二是缓步动物特异蛋白倾向于高度无序，通过相分离促进DNA损伤修复等过程；三是与其他门类共有的古老蛋白在水熊虫中具有特殊的辐照响应模式。

　　令科学家感到特别兴奋的是，他们发现，在将水熊虫中起抗辐射作用的分子转入人源细胞后，可显著提升后者的抗辐射能力。这充分说明此项研究具有重要潜在的应用前景，为研制抵御超强辐射损害的“金钟罩”找到了理论依据。或许人类将迎来不惧核辐射的新时代。

　　而深海热液生物群不仅为我们揭示了生命能量的新来源，还为开发海底生物能源提供了丰富的资源和新思路。分布于海底山表面的富钴结壳和分布于大洋中脊和断裂活动带的热液多金属硫化物，生活于深海热液喷口区和海山区的生物群落，大陆边缘的天然气水合物等，都被认为是潜力很大、可供21世纪开发的新型能源。深海将成为21世纪多种自然资源的战略性开发基地。

　　海斗深渊极端环境下的生命现象不仅是科学上的巨大突破，也带来了无法估量的现实应用价值。例如，科学家发现部分具有临床应用前景的深渊微生物，像深渊链霉菌产生的系列化合物具有较好的抗菌活性，是万古霉素的8倍。该系列化合物含有四氢吡喃环，还可作为化工或医药领域复杂化合物合成的前体或原料。深渊微生物具备耐受高压和极端环境的特质，解析和挖掘相关的活性酶，将为工业酶的开发和利用提供宝贵的素材库。

　　“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”是人类长久以来的梦想，当科技为人类插上翅膀，破解一个个极端环境生命的密码，或许真有一天，人类将不用依靠厚重的航天服或装备，就能实现天地间来回的自由，甚至海洋表深间跨越的自由，成为无所不能的“全能战士”。

　　（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员）