地表之下的神祕生物：它們才是真正的“地球改造者”
編者按：本文編譯自The Atlantic題為“Meet the Endoterrestrials”的文章，作者Douglas Fox。科學家一直希望尋找生命的起源，如今他們把眼光放在了地下世界的微生物上。它們外表難以分辨，卻“悄無聲息”實現了人類夢寐以求的氫能利用，併為地球陸地，礦藏及化石能源的形成做出了不可磨滅的貢獻，指導人類尋找外星生命的痕跡。
2014年的1月12號，Alexis Templeton記得那天一個裝滿水的玻璃瓶竟像氣球般炸開了。
Templeton開著越野車穿越Wadi Lawayni山谷佈滿石礫的顛簸路面，這個廣袤的山谷終年乾旱，橫穿阿曼的延綿群山。她把車停在地面伸出的一個混凝土平臺旁，那裡標識了一個新近鑽出的水井。Templeton揭開井蓋，吊著水瓶深入陰暗的地下，嘗試取得地底下850英尺深處的水樣。
這個山谷四周被深褐色的巖峰環繞，質地如陶瓷般堅硬，但滾圓和下垂的外形看起來卻像古時的泥磚廢墟。它們原本處於地球深處，面積和西弗吉尼亞州相近，數百萬年前由於板塊運動“橫空出世”。正是這些特別的岩石吸引Templeton來到阿曼。
她把水樣從深井中取出，不一會兒，由於氣壓變化，水瓶發生了爆炸，水樣像碳酸飲料般飛濺，但其中逸出的氣體和汽水不同，不是二氧化碳，而是可燃的氫氣。
Templeton是科羅拉多大學一名地質生物學家。發現氫氣對她而言意義重大。“有些生物體非常喜歡氫氣，並以此為生命基礎”，儘管水樣中的氫氣不能直接證明地下生命的存在，但它能證明地底岩石可以成為部分生命的棲身之所。
越來越多科學家相信，在地球的深處孕育著形形色色的生命，Templeton正是其中一員。據估計，這些未確認的生命大概佔到全球所有生命形式的十分之一以上，甚至高達半數。
在落基山脈，科學家曾發現有微生物生活在地底下6000英尺深的花崗岩；在海床沉積物中，恐龍時代的微生物的生命痕跡也得以重見天日；在南非的金礦，地下11000英尺的深處，一些微小的動物——細長的蠕蟲，蝦形節肢動物，長有鬍鬚的輪蟲也得以發掘。
人們常常把地球看作是一個實心的巖球，生命只在球面周圍活動。但科學家眼中，地球更像個芝士球，裡面的微生物終年不斷地啃咬，腐蝕著堅固厚實的外殼。與人們想象中的進食不同，這些生物不用動口，在無形中就能獲取營養：放射性元素的衰變能，沉入地核高壓熔化的岩石，甚至一場地震，都能成為它們獲取營養的手段。
Templeton為了尋找隱藏的生命來到阿曼。2014年的那場小爆炸讓她有了強烈的預感：好像找到什麼了。今年1月，她們重回阿曼，深入山谷，挖掘地下深處的岩石，試著找到生命的痕跡。
阿曼的冬季依舊炎熱，一個下午，Wadi Lawayni山谷陽光普照，一陣陣低沉的咆哮震徹山谷。山谷中央有一臺巨大的推土機，前面聳起一根鑽桿，分秒不息地轉動著。
五六個當地公司僱傭的印度工人帶著安全帽操縱著地鑽。Templeton和另外幾個科學家以及研究生聚集在幾碼外的涼棚下，圍著桌子仔細檢查勘探工人每小時拿過來的巖芯樣本。
地鑽整整工作了一天，隨著勘探深度的增加，挖出來的巖芯顏色漸漸有了變化。起初幾英尺是橙黃色的，這是因為地表的氧氣把岩石中的鐵轉化成了鏽。當深度大於60英尺後，氧氣的作用逐漸消失，岩石的外表變暗泛綠，並佈滿黑色的條紋。
“這石頭太漂亮了”，Templeton帶著乳膠手套，用手指感受石塊表面的起伏。這些年，她為了工作曾乘船出海，到熱帶島嶼，高寒的北極等無數的地方。所以當她將太陽眼鏡架在自己棕色的長髮之上，我們看到了她晒黑的臉頰。
這塊綠得發黑的岩石是在地球的其它角落幾乎不可能觀察到的。這些蘊藏於地球深處的岩石富含鐵元素——但與地球表面的鐵有所不同。地底的鐵化學性質十分活潑，易與氧氣反應。當這種岩石接觸到地下水，水分子發生分解，氧原子被奪走，便形成了氫氣。
由於反應後，岩石表面會留下黑白或青綠的蜿蜒條紋，因此地質學家稱這個過程為蛇紋石化作用。蛇紋石化通常發生在人類無法到達的地方，例如大西洋海底以下幾千英尺的岩石層。
不過由於阿曼的深層岩石被板塊運動抬升得非常接近地表，因此蛇紋石化只發生在地底下幾百英尺以內的區域。引起2014年那次水瓶爆炸，不過是十分輕微的蛇紋石化作用。在同一地區，數年前也曾開鑿過一座水井。然而過高的含氫量讓其成為了危險的爆炸源，因此政府用混凝土將其徹底密封。
氫氣是一種特殊的資源，能用作航天燃料，推動宇宙飛船航行。它是地球上能量密度最高的天然化合物之一，這讓氫氣成為地表之下微生物重要的營養來源。微生物細胞中的酶可以精確地控制氫氣的消耗，讓反應處於溫和可控的狀態。
但好比人類吸入氧氣進行代謝，微生物還需要一些助燃物，才能從氫氣中獲取能量。找出微生物如何在貧氧的地底進行代謝的答案，就成了Templeton的關鍵任務。
挖掘現場，Templeton指著桌子上一小簇黃色的晶體，突然驚叫：“看，有金子！”然而它的立方結構“出賣”了她：這是一種“愚人金”，叫做黃鐵礦，由鐵與硫元素組成，是生命必須的礦物質之一。由於黃鐵礦晶體可以在微生物排出的廢物中聚集而成，Templeton認為她看到的晶體可能正是微生物代謝的副產物。
回到科羅拉多後，她小心地處理收集回來的晶體，將其切割成透明薄片，用顯微鏡進行觀測。如果這些黃鐵礦晶體是生命的產物，那麼“肯定有微生物聚居於此”，她希望能發現微生物的化石結構。
“海底二萬里”
長久以來地質學家注意到，海床下數百公尺深處的黑色玄武岩上佈滿了火山玻璃，在顯微鏡觀測下，往往能發現奇怪的蝕坑與孔道。“我們從未想過這是生物的作用。”來自加州斯克裡普斯海洋研究所的火山學家Hubert Staudigel如此說道。
1992年，來自挪威卑爾根大學的一名年輕科學家Ingunn Thorseth，提出猜想，坑洞在地質上類似蛀牙：微生物以玻璃中的鐵元素為生，因此造成了一定的腐蝕。Thorseth還發現了有力的證據：在海床下3000英尺深處的岩石標本中，他們發現了在坑洞中凋亡的微生物。
該研究公開時，Templeton還未進入這個領域。她在1996年獲得了地質化學的碩士學位，隨後在加州的勞倫斯伯克利國家實驗室供職，在那裡她發現，一些微生物能夠快速消耗殘留在前海軍基地土壤的飛機燃料，以維持生命活動。數年後，她在斯坦福大學進行了博士階段的學習，研究了地底微生物對鉛，砷等汙染物的代謝機制。
2002年，她來到斯克裡普斯，與生物學家Bradley Tebo和Staudigel共事。他們試圖搞清楚一個問題：海床玄武岩的鐵及其它金屬是如何維持微生物的生命？
同年11月， Templeton從乘潛水艇潛入深海，向羅希海底山的南坡進發，這是一座位於夏威夷大島附近的海底火山。下潛至5600英尺處，潛水艇開啟大燈照亮了一幅海底奇觀：一座黧黑的海底石林，突兀地堆疊成無數的尖峰。火山岩漿從裂縫流出，遇到冰冷的海水後，迅速冷卻成玻璃巖碎屑，這些所謂的枕狀玄武岩，形成的時間已經超過數十甚至上百年。Templeton側身躺在長凳上，蜷縮著身子以抵禦寒冷，透過玻璃窗看著機器手臂掰下小塊的玄武岩。下潛8小時後，他們帶著10磅重的岩石樣本回到了海面。
她曾告訴記者：“我家地下室裡擺滿了從海床收集來的玄武岩塊，我一塊也不捨得扔掉。”
在研究地球深處的生物圈時，Templeton對生命的起源產生了興趣，並開始思考太陽系還有哪些地方會有生命的存在。對地下世界的探索好比推開了宇宙研究的一扇窗，但前提是她的挖掘計劃要深入無氧的地下區域。
縱觀歷史，過去很長的一段時間內，地球的氧含量並不高。即使在今天，地球生物圈還有很大的區域處於無氧環境中。海床下方不遠處，氧氣就幾乎不存在了，放眼太陽系各大星球，即使像火星這般可能擁有生命的星球，大氣中也沒有氧的存在。
阿曼東部山區是非常理想的研究地點。這裡儲存著大量緩慢蛇紋石化的岩石樣本，岩石內部富含化學性質活潑的鐵元素，這些都是原本地下深層岩石才有的特質。為此，Templeton和其他幾名研究者共同努力，推動了阿曼鑽井專案的早期開展。
這項研究由紐約天文臺的地質學家Peter Kelemen牽頭。他本人也有自己的研究方向：他發現這裡的岩石不光能與水和氧反應，還能使二氧化碳從大氣中分離，收集在礦物質內部。這項反應機理的研究將會為碳減排提供新的解決方案。
Kelemen參與了今年1月的鑽井研究。他對能否找到生命痕跡表現得很樂觀。儘管這些岩石是在高達1000多度的環境中形成的，但冷卻過程非常迅速，且目前周圍的環境溫度不過30多攝氏度。他認為，“這樣的條件下，自恐龍時代的微生物也是可以得到保留的。”
硫——微生物代謝的奧祕
下午三點，科考隊員們聚集到鑽井平臺旁，等待著每個小時的例行工作，這是一個充滿懸念的時刻。
剛從深井中取出的新石塊，呈圓筒狀，長10英尺，厚度和棒球棍相仿，被放在鋸架上，再密封到金屬管中。
隨後工人們舉起了管子的一端，隨著一股黑色的粘稠物噴湧而出，岩心滑了出來。厚厚的黑色汙泥滴在地上，巖芯表面黑漆漆的。
研究人員將巖芯擦拭乾淨，看到細小的氣泡從光亮細滑的岩石表面逸出——這讓人想起滾油裡的泡沫。由於沒有了地底的高壓，石頭在人們眼前會迅速釋放儲存的氣體，一個個氣泡從孔道中噴薄而出，蔓延著一股奇異的氣味，既像是燒焦的橡膠，又有點像是陰暗的下水道。科學家們好像想到了氣體的來源。
“裡面有硫化氫。”
硫化氫是一種通常出現在下水道，或者人體腸道內的氣體。硫化氫的形成要歸功於無氧呼吸的微生物。儘管缺少了氧氣，它們找到了另類的生存方式：用地底其它化學物質進行呼吸作用獲取營養。
這段嘶嘶作響的巖芯讓科學家注意到，微生物活動需要的到底是什麼物質。巖芯由橙黃色的石頭交錯而成，說明數百萬年前岩漿在石塊的附近噴湧流動。
岩漿化石逐漸將裡面的化學成分釋放到地下水當中——其中包括硫酸根離子。Templeton說：“微生物可能正是依靠吸入硫酸根離子消耗氫氣，再排除廢氣。”
硫化氫除了氣味嗆人，還有強烈的毒性。由於硫化氫的不斷累積，那些排出硫化氫的微生物實際上還冒著自己中毒的風險。它們怎麼避免自身受到傷害？科學家再一次從石頭中找到了線索。
地鑽繼續工作數天後，黑色的淤泥逐漸消失。每一段巖芯都是乾淨而無異味的。但石頭本身早已發生了變化，原有的紋路和蛇紋石礦物變得灰黑一片。“變黑的部分都代表著生化反應的產物。”Templeton認為微生物撥出的硫化氫和岩石的鐵元素髮生反應，生成了黑色的硫化亞鐵。先前看到的黃鐵礦也是由鐵與硫組成，形成的方式大致相同。
硫化亞鐵的存在讓研究人員瞭解微生物是如何生活和改造地底世界，甚至合成出原本不存在的礦物質。硫化氫與在地下深處溶解的金屬相結合，形成了地球上眾多重要的金屬礦藏，包括鐵、鉛、鋅、銅、銀礦等等。硫對金屬元素的固定與富集作用，使其得以在漫長的歲月中積累——直至被開採出來。
來自華盛頓特區卡內基研究所的礦物學與天體生物學家Robert Hazen，相信地球上超過一半的礦物對生命活動有著重要的作用——包括植物，珊瑚和矽藻，地下世界的微生物群落等等。他甚至推測大陸的形成與微生物的侵蝕密不可分。
40億年前，地球上還沒有穩定存在的大陸，只有一些火山躍出海平面。後來海床的微生物棲息在富鐵的玄武岩，將火山玻璃轉化為黏土礦物。黏土礦物不如玄武岩堅硬，重新固化後形成了一種輕質而蓬鬆的材料——花崗岩。
陸地的出現對地球的進化有著深遠的影響。暴露在大氣中的岩石更易風化，釋放痕量的化學物質，如鉬，鐵，磷元素。化學元素匯入海洋促進了藻類的繁殖。藻類能吸收二氧化碳，並撥出氧氣。到了20億年前，大氣中開始出現痕量的氧氣，而在5.5億年前，氧氣含量已經足夠維持早期原始動物的生命活動。
地球豐富的水資源與合適的日地距離，讓它成為最理想的生命搖籃。但當時的條件還不足以讓地球成為智人生活的理想環境。是微生物的存在讓我們的星球朝著形成陸地、氧氣和高階生命的趨勢發展。時至今日，微生物依舊在由內而外地重塑著這個世界。
放眼太空
某種程度上，地下世界的微生物好比人類文明的發展，微生物的“城市”往往修建在繁忙的“交通要道”旁。上文提到的微生物群落，生活在地下100英尺的深處，附近是幾處大岩石裂縫的交匯點，正好允許氫氣與硫酸鹽從四面八方流向群落。
來自英國利物浦大學的結構地質學家Elisabetta Mariani，花了很長時間才描畫出了岩石裂縫的影象。一天清晨，她向記者展示了一幅特別的圖畫：一條裂縫從岩石對角線穿過，露出了淺薄而綠黑相間的蛇紋石表面。
“你能看到表面的凹槽嗎？”她指著破開的岩石表面內部的劃痕問記者。他們認為這並不是環境造成的痕跡，她用手比劃著，“這是兩塊石頭相互摩擦形成的”。
普林斯頓大學的地質學家Tullis Onstott認為，斷層除了引導氣體通向微生物群落以外，還可能具有生產營養物質的作用。2017年11月，他和同事在南非的Moab Khotsong金礦底下8000英尺處，朝斷層鑽出了一個半尺深的洞。三年前的8月5日，該斷層曾引起一場5.5級的地震，Onstott希望這次挖掘能發現地震與地底生物圈營養物質來源的聯絡。
長久以來研究人員注意到氫氣會從主要斷層逸出，例如加州的聖安地列斯。氫氣的產生源自一種化學反應：矽酸鹽礦物在震動中變成粉末，與地下水反應會生成氫氣。
2018年3月，Moab Khotsong金礦開掘四個月後，工人們拿到了斷層區域的巖芯樣本。
“斷層附近的岩石有嚴重撞擊的痕跡，”Onstott說——被撕裂成數十條平行裂縫。其中一些裂縫裡，石頭被壓成易碎的粘土，這是上次的地震所造成的。其餘的裂縫，被白色石英岩脈填充，代表了數千年前的地質斷裂。
Onstott在石英岩脈中尋找化石細胞，並分析岩石中的DNA，希望能找到在斷層中棲息的微生物。Onstott和同事一直保持洞口敞開，監控斷層內部的水氣含量與微生物活動，並在每次餘震後收集岩石樣本。他表示：“我們可以瞭解石頭是否在放氣，以及瞭解微生物消耗氣體的過程中，群落是否有所變化。”
就在Onstott等待結果的時候，他開始考慮一種更激進的可能性：微生物不光是依靠地震獲取營養，甚至能引起一場地震自給自足。微生物消耗斷層礦物中的鐵、錳等其它元素，這一過程會破壞岩石的結構，引起下一次斷裂。要想驗證這一點，我們必須測定斷層內微生物對化學物質的消耗速度是否足以影響地震活動。帶著科學家獨有的鎮定，他認真思考，深信“這是一個合理的假設。”
今年1月30日，Wadi Lawayni山谷的地鑽已經下挖至200英尺，研究人員每天聽著發動機的轟鳴聲工作，休息。 “這裡會是認識生命起源的一個重要場所。”來自蒙大拿州的地質生物學家Boyd這樣說道。對未知的探索吸引了他們這些科學家駐紮在此。“每次發現氫氣都使我們無比興奮。”
在40億年前就已存在的眾多化學燃料當中，早期生命最容易進行代謝的莫過於氫氣。氫氣的生成不光來自蛇紋石化反應，還有目前廣泛利用的放射性衰變反應。氫氣性質活潑，遇到如二氧化碳和硫粉等弱氧化劑也能發生解離。大量的基因序列測試表明，地球生命的共同祖先大概都利用氫氣與二氧化碳的反應獲取能量，這同樣適用於其它星球可能存在的生命形式。
許多勘測軌道飛行器及太空船，都能拍攝到地球外許多行星表面存在蛇紋石化礦物，或是找到反應持續進行的化學證據。甚至在隕石的表面也監測到了蛇紋石狀的礦物。這說明在 45億年前，地球剛剛誕生之時，胚胎行星的碎片就已經存在，暗示著生命起源很可能早於地球的出現 。
“一塊類似的石頭，放在和地球溫度相仿的地方，澆上液態水，你不可避免地會和我們想到一塊。”
但對太空的探索依然是個挑戰。現有的科技僅允許我們從火星上鑽取幾英尺深的岩石樣本，上面或許保留著在火星早已逝去的生命痕跡——但真正存活的微生物組織應該會生活在更深的岩層中。Templeton正在著手解決檢測過去生命痕跡的難題，以及辨別痕跡是否由生命活動所造成。這項課題從她開始研究海底玄武岩就已開始，至今已過去16年。
“我的目標是要找到生命的標誌，”她會將勘探出的岩石樣本送檢，用X射線擊打礦物表面，獲取微生物與礦物分佈的圖譜，瞭解微生物與礦物間存在的行為。她希望通過研究微生物腐蝕礦物的方式，找到辨識外太空岩石樣本的生物蝕刻標記的手段，而這些岩石，可能已有上千年未被生命垂憐。
我們暢想未來某天，這些工具會送到火星勘探車上，或者用在從其它星球採回的岩石標本。至於現在，Templeton還在阿曼尋找著，陰暗炎熱的地底世界裡所潛藏著的祕密。
編譯組出品。編輯：郝鵬程。