文/蘭子記
編/蘭子記
深海熱液系統的觀測
海底熱液噴口是行星地球上一種十分奇特的地質現象。
它們主要分佈在海底火山活動較活躍的洋中脊地區，典型的有東太平洋、大西洋、北冰洋和印度洋的擴張中心以及西太平洋的弧後盆地。
這些地區是深部岩漿上涌、新地殼形成的區域。
在大洋中脊，地球深部岩漿上升到距洋底幾公里的地方，加熱下滲的海水，加速熱水與海洋玄武岩的相互作用而產生富含化學物質的深海熱液。
這些熱液噴口的流體溫度可高達400°C，具有無氧，強酸性並富含硫化物、甲烷和多種金屬的地球化學特徵。
自20世紀70年代以來，人們已經發現並記錄了多達200多個深海熱液口。
它們在形成年齡、演化程度、大小、穩定性、水深、熱液成分、溫度、生物多樣性等諸多方面都有很大差異。
這些深海熱液噴口的生物群落包含一些所謂的「活化石」生物和深海化學合成環境。
其中的生物群落也因這些物理——化學條件的差異而呈現出豐富的多樣性。
在快速擴張區的熱液口，如東太平洋海隆，其主要的化學能來源是硫化物，而在慢速擴張的中大西洋洋脊，其主要的化學能源為氫氣和甲烷。
熱液生物具有獨特的生理特徵，能適應並生存於那裡極端高溫、高壓和低pH的環境。
該環境具有較高的生物量但較低的生物多樣性。
優勢物種為多毛蟲、蛤、貽貝、多種腹足綱軟體動物、多毛綱動物蠕蟲和蝦類，據記載約有500種。
雖然不同的熱液噴口在較高的分類單元(科、屬)層次上有相似的生物分類群，但在物種層次上各噴口之間差異明顯，形成不同的生物地理單元。
處在生態系統中食物鏈底層的化能自養微生物是熱液生態系統的初級生產者，其中古菌佔有很大比例。
深海熱液生態系統研究的意義
（1）深海熱液生態系統是地球上獨特的生物及基因資源寶庫綠色化工對新型酶製劑有巨大的需求。
深海熱液區存在着溫度高、壓力大、有毒化學物質含量高等極端環境條件。
這裡繁盛的生態系統是篩選極端微生物的良好場所。
嗜熱的古菌Pyrolobus fumarri和菌株121保持了迄今報道最高的生長溫度紀錄(113°C和121°C)。
這一溫度範圍被認為是生命的上限；近期發現絕對嗜高壓菌(Pyrococcussp.)CH1能在98°C、1200個大氣壓條件下進行繁殖，在1000個大氣壓下的代時大約為5小時。
這些超級嗜高溫−高壓微生物體內的酶在生物催化等工業領域具有無可比擬的應用研究價值。
熱液區的生物密度極高，棲息在熱液區的微生物在可能會很快產生適應這些環境的策略，形成不同於常規環境中微生物的生長、代謝和調控機制，而更依賴於化學防禦機制。
對相關代謝產物的生物合成機制的研究將為建立新的生物轉化途徑及組合生物合成提供理論依據。
此外，這些微生物合成的獨特代謝產物蘊含著豐富的化學結構多樣性，是未來獲取新類型天然產物的重要來源。
（2）深海熱液生態系統的研究對生命科學和地球科學的發展具有重要推動作用生命如何改變地球，地球又是如何改變生命？
從生命科學和地球科學交叉、整合的高度來對深海微生物進行研究，不僅將對生命科學的發展起到積極的推動作用，而且可能有助於突破地球科學的傳統框架，以解決關於地球生命起源、演化之謎。
通過對深海生物的生理學和生態學研究，有助於拓展我們對生命起源、發展演化最重要環境因素的認識。
以洋中脊為代表的深海的高溫厭氧環境與地球早期的環境相似，雖然有化石證據的早期生命出現在大約35億年前左右，但有理由相信生命可能在地球有液態海洋之後的2億年，甚至2000萬年的時間內，就出現了最早的細胞。
在大約39億年前的海洋溫度大約在90°C以上，在35億年前後海洋的溫度在70°C左右，因此在早期海洋中的所有生命都應該是與現代熱液生物一樣是嗜熱的。
生活在熱液噴口極高溫環境下的微生物種群可能保留了進化歷史早期的「持家」基因，成為化石和生物標記物的重要補充。
未解決的科學問題
（1）是否存在「新」的代謝途徑由於高溫、高壓、厭氧等極端環境的限制，極端嗜熱嗜壓微生物可能保留了地球早期生命中的某些持家基因「簇」，這些常溫常壓下未知的「新」代謝途徑是研究早期地球環境變化的重要材料，也是我們尋找外太空生命的重要參考。
如高溫−高壓條件下硫酸根還原菌的硫化物成礦機理，高溫和微生物作用下硫的氧化−還原化學和動力學，代謝過程造成的高溫硫同位素熱力學和動力學分餾等問題沒有解決。
利用深海極端嗜熱−嗜壓菌開展其生長條件下硫化物的礦化作用的分析，對古老海洋沉積物中可能與硫酸根還原菌有關的礦物和同位素記錄具有重要意義。
不依賴於純培養的環境基因組技術也將為尋找深海及深部特殊代謝途徑提供新的技術手段。
不過現代深海熱液區是海水生態系統與熱液「原生態系統」的混合體，科學家正嘗試採用深海原位觀測等手段將這兩個生態系統區分開來。
另外一條途徑是選擇只能在深部生物圈生活微生物為研究對象。
（2）地球深部是否還有「新」的生命形式不斷誕生利用深海鑽探技術，從洋底鑽取了大量的岩芯樣品，它們的年齡都不超過1.8億年，這說明洋底相比較十分年輕，而更老的洋殼則被俯衝到地球深部去了。
洋底年齡是以洋中脊為對稱軸，最年輕的洋底都在洋中脊上，離洋中脊越遠則年齡越老。
如果地球上最早的生命是在類似洋中脊環境中起源的話，位於現在洋中脊深海熱液環境是否仍有原始生命形態的產生？
我們可以從能量代謝和碳固定吸收兩個角度來考慮。
早期的生命可能是異養的，因為實驗和觀察證據表明前生命的化學演化可以積累大量的有機物；
研究顯示現在的洋中脊的熱液蝕變玄武岩產生的次生礦物仍然催化簡單有機物的形成。
那麼最早的生命用什麼化學物質來進行能量代謝呢？
這是早期生命演化的一個非常重要的問題。
現在的研究進展給出兩個方面的制約：一個是用地質學方法重建生命演化早期海洋和海底沉積物的地球化學組成；另一個方面是用現代微生物學方法揭示早期生命在基因水平上的特徵。
硫酸根、三價鐵、硝酸根、四價或三價的錳等都有可能被這些早期的微生物作為電子受體。
除了對洋中脊深海熱液環境進行詳細的生物地球化學研究以外，從分子水平上檢查為什麼那裡的微生物會顯得古老將有助於解決為什麼這個年輕的地殼裡會棲息顯得古老的微生物這個謎。
參考文獻：
[1] Kelley D S. From the mantle to microbes: the lost city hydrothermal field. Oceanography, 2005,18: 32−45.
[2] Kelley D S, Karson A J, Früh-Green L G, et al. A serpentinite-hosted ecosystem: the lost cityhydrothermalfield, Science. 2005, 307(5714): 1428−1434.
[3] Deming J W. Deep ocean environmental biotechnology. Curr.Opin. Biotechnol., 1998, 9：283−287.
[4] Blöchl E, Rachel R, Burggraf S, et al. Pyrolobus fumarii, gen. and sp. nov., represents a novelgroup of archaea, extending the upper temperature limit for life to 113 degrees C.Extremo philes, 1997, 1(1): 14−21.
[5] Kashefi K, Lovley D R. Extending the upper temperature limit for life. Science, 2003, 301(5635): 934.
[6] Zeng Xiang, Birrien J L, Fouquet Y, et al. Pyrococcus CH1, an obligate piezophilichyperthermophile: extending the upper pressure-temperature limits for life. The ISME Journal,2009, 3: 873−876.
