文/兰子记
编/兰子记
深海热液系统的观测
海底热液喷口是行星地球上一种十分奇特的地质现象。
它们主要分布在海底火山活动较活跃的洋中脊地区，典型的有东太平洋、大西洋、北冰洋和印度洋的扩张中心以及西太平洋的弧后盆地。
这些地区是深部岩浆上涌、新地壳形成的区域。
在大洋中脊，地球深部岩浆上升到距洋底几公里的地方，加热下渗的海水，加速热水与海洋玄武岩的相互作用而产生富含化学物质的深海热液。
这些热液喷口的流体温度可高达400°C，具有无氧，强酸性并富含硫化物、甲烷和多种金属的地球化学特征。
自20世纪70年代以来，人们已经发现并记录了多达200多个深海热液口。
它们在形成年龄、演化程度、大小、稳定性、水深、热液成分、温度、生物多样性等诸多方面都有很大差异。
这些深海热液喷口的生物群落包含一些所谓的“活化石”生物和深海化学合成环境。
其中的生物群落也因这些物理——化学条件的差异而呈现出丰富的多样性。
在快速扩张区的热液口，如东太平洋海隆，其主要的化学能来源是硫化物，而在慢速扩张的中大西洋洋脊，其主要的化学能源为氢气和甲烷。
热液生物具有独特的生理特征，能适应并生存于那里极端高温、高压和低pH的环境。
该环境具有较高的生物量但较低的生物多样性。
优势物种为多毛虫、蛤、贻贝、多种腹足纲软体动物、多毛纲动物蠕虫和虾类，据记载约有500种。
虽然不同的热液喷口在较高的分类单元(科、属)层次上有相似的生物分类群，但在物种层次上各喷口之间差异明显，形成不同的生物地理单元。
处在生态系统中食物链底层的化能自养微生物是热液生态系统的初级生产者，其中古菌占有很大比例。
深海热液生态系统研究的意义
（1）深海热液生态系统是地球上独特的生物及基因资源宝库绿色化工对新型酶制剂有巨大的需求。
深海热液区存在着温度高、压力大、有毒化学物质含量高等极端环境条件。
这里繁盛的生态系统是筛选极端微生物的良好场所。
嗜热的古菌Pyrolobus fumarri和菌株121保持了迄今报道最高的生长温度纪录(113°C和121°C)。
这一温度范围被认为是生命的上限；近期发现绝对嗜高压菌(Pyrococcussp.)CH1能在98°C、1200个大气压条件下进行繁殖，在1000个大气压下的代时大约为5小时。
这些超级嗜高温−高压微生物体内的酶在生物催化等工业领域具有无可比拟的应用研究价值。
热液区的生物密度极高，栖息在热液区的微生物在可能会很快产生适应这些环境的策略，形成不同于常规环境中微生物的生长、代谢和调控机制，而更依赖于化学防御机制。
对相关代谢产物的生物合成机制的研究将为建立新的生物转化途径及组合生物合成提供理论依据。
此外，这些微生物合成的独特代谢产物蕴含着丰富的化学结构多样性，是未来获取新类型天然产物的重要来源。
（2）深海热液生态系统的研究对生命科学和地球科学的发展具有重要推动作用生命如何改变地球，地球又是如何改变生命？
从生命科学和地球科学交叉、整合的高度来对深海微生物进行研究，不仅将对生命科学的发展起到积极的推动作用，而且可能有助于突破地球科学的传统框架，以解决关于地球生命起源、演化之谜。
通过对深海生物的生理学和生态学研究，有助于拓展我们对生命起源、发展演化最重要环境因素的认识。
以洋中脊为代表的深海的高温厌氧环境与地球早期的环境相似，虽然有化石证据的早期生命出现在大约35亿年前左右，但有理由相信生命可能在地球有液态海洋之后的2亿年，甚至2000万年的时间内，就出现了最早的细胞。
在大约39亿年前的海洋温度大约在90°C以上，在35亿年前后海洋的温度在70°C左右，因此在早期海洋中的所有生命都应该是与现代热液生物一样是嗜热的。
生活在热液喷口极高温环境下的微生物种群可能保留了进化历史早期的“持家”基因，成为化石和生物标记物的重要补充。
未解决的科学问题
（1）是否存在“新”的代谢途径由于高温、高压、厌氧等极端环境的限制，极端嗜热嗜压微生物可能保留了地球早期生命中的某些持家基因“簇”，这些常温常压下未知的“新”代谢途径是研究早期地球环境变化的重要材料，也是我们寻找外太空生命的重要参考。
如高温−高压条件下硫酸根还原菌的硫化物成矿机理，高温和微生物作用下硫的氧化−还原化学和动力学，代谢过程造成的高温硫同位素热力学和动力学分馏等问题没有解决。
利用深海极端嗜热−嗜压菌开展其生长条件下硫化物的矿化作用的分析，对古老海洋沉积物中可能与硫酸根还原菌有关的矿物和同位素记录具有重要意义。
不依赖于纯培养的环境基因组技术也将为寻找深海及深部特殊代谢途径提供新的技术手段。
不过现代深海热液区是海水生态系统与热液“原生态系统”的混合体，科学家正尝试采用深海原位观测等手段将这两个生态系统区分开来。
另外一条途径是选择只能在深部生物圈生活微生物为研究对象。
（2）地球深部是否还有“新”的生命形式不断诞生利用深海钻探技术，从洋底钻取了大量的岩芯样品，它们的年龄都不超过1.8亿年，这说明洋底相比较十分年轻，而更老的洋壳则被俯冲到地球深部去了。
洋底年龄是以洋中脊为对称轴，最年轻的洋底都在洋中脊上，离洋中脊越远则年龄越老。
如果地球上最早的生命是在类似洋中脊环境中起源的话，位于现在洋中脊深海热液环境是否仍有原始生命形态的产生？
我们可以从能量代谢和碳固定吸收两个角度来考虑。
早期的生命可能是异养的，因为实验和观察证据表明前生命的化学演化可以积累大量的有机物；
研究显示现在的洋中脊的热液蚀变玄武岩产生的次生矿物仍然催化简单有机物的形成。
那么最早的生命用什么化学物质来进行能量代谢呢？
这是早期生命演化的一个非常重要的问题。
现在的研究进展给出两个方面的制约：一个是用地质学方法重建生命演化早期海洋和海底沉积物的地球化学组成；另一个方面是用现代微生物学方法揭示早期生命在基因水平上的特征。
硫酸根、三价铁、硝酸根、四价或三价的锰等都有可能被这些早期的微生物作为电子受体。
除了对洋中脊深海热液环境进行详细的生物地球化学研究以外，从分子水平上检查为什么那里的微生物会显得古老将有助于解决为什么这个年轻的地壳里会栖息显得古老的微生物这个谜。
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