地底也有大量生命存在

（來源：科普中國）

轉(zhuǎn)自：科普中國

大吃一口，吃嘛嘛香。

在我們腳下，從接近地表的深度到幾千米深的地層中，其實生活著地球上最古老的一群生命——原核生物。已有研究提出，從古菌到氧化還原細菌，多達 95% 的原核生物都生活在地殼深處，它們甚至占據(jù)了地球總生物量的 19%。因為缺少陽光和氧氣，這里的生物只能從礦物中獲取營養(yǎng)，從水和巖石的反應(yīng)中獲取能量。

原核生物細菌 圖源：維基百科

從本質(zhì)上來說，我們和這些原核生物獲取能量的底層原理是一樣的。在地球表面，人體攝入的葡萄糖分解釋放電子，這些電子傳遞給氧氣分子，隨著氧與氫結(jié)合成水，釋放出的能量形成 ATP，供給人類各樣的活動。這種電子在氧化還原對之間的流動，提供了生命活動需要的能量。

而在深不見光的地底，這里的微生物同樣依靠電子的流動獲取能量。由于無法接觸到太陽能，對地底生物來說，它們最常見的電子供體就是氫氣。

氫氣通常形成于水—巖反應(yīng)和水的分解。一些具有放射性的巖石可能會分解水產(chǎn)生氫氣，還有一些富鐵的巖石可以與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣（通常發(fā)生在巖石蛇紋石化過程中）。

但在一些情況下，巖石在破裂時也可以分解水，產(chǎn)生氫氣。尤其是在地震作用，或是冰川引發(fā)的巨大壓力下，在硅酸鹽巖石新鮮的斷裂面上，斷裂或扭曲的硅-氧鍵會產(chǎn)生活性自由基，從而使水具備分解成氫氣的能力。事實上，水在這類巖石新鮮斷面的作用下發(fā)生的反應(yīng)被認為是斷裂帶與冰川底部氫氣的潛在來源，甚至可能促進了地球早期氧氣的產(chǎn)生。

但只有氫氣還不夠。就像我們需要氧氣一樣，地殼深部的微生物如果想要利用這些氫氣（電子給體），也需要電子受體。“（就算）食物擺在桌子上，但如果沒有叉子，你還是什么都吃不到。”加拿大多倫多大學(xué)的芭芭拉·舍伍德·洛拉（Barbara Sherwood Lollar）在接受《新科學(xué)家》（New Scientist）采訪時解釋道。

一項發(fā)表于《科學(xué)·進展》（Science Advances）的研究就嘗試尋找深地微生物的“食物”和“叉子”，這項研究由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的何宏平院士和朱建喜教授領(lǐng)導(dǎo)完成，洛拉也是作者之一。

地下電網(wǎng)

在地下，有一種元素對生命非常重要，就是鐵。它廣泛分布于大多數(shù)巖層中，并且具有高度遷移性——在硫、氮、碳這些微生物代謝核心元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用。

我們當然無法親身進入數(shù)千米下的地層，去實地觀察受地震活動影響的巖石中微生物的活動。因此，研究者在實驗室里設(shè)置了缺氧條件，并利用石英和球磨工藝，模擬地震中巖石破裂后的反應(yīng)。在研磨過程中，石英就可以模擬巖石中常見的硅酸鹽礦物。其中的硅氧共價鍵容易斷裂，使共用電子對平均分配給硅原子和氧原子（這個過程被稱為均裂），由此形成兩個活性自由基。隨后，研究者會將粉碎的石英與水和多種形態(tài)的鐵混合。

在實驗室里，破裂的石英與水反應(yīng)，釋放出了大量的氫。其中既包括氫氣，也存在一些其他形式的氫，例如過氧化氫（H2O2）。研究者發(fā)現(xiàn)，由于微量過氧化氫的積累，局部的水溶液會呈弱氧化性，而由于氫氣的積累，頂部空氣會略呈還原性，這種氧化還原梯度僅存在于非常局部的區(qū)域，甚至可能只有微米尺度，但卻有潛力為深層地殼中的生命提供適宜的生存環(huán)境。“其重要性，堪比近期報道的海底‘暗氧’現(xiàn)象。”研究者在論文中寫道。

一旦相對穩(wěn)定的氧化還原對（如氫氣和過氧化氫）形成，氧化還原梯度便可以快速建立，并進一步與地下水和巖石中的鐵發(fā)生反應(yīng)——即使是這樣局部的氧化還原條件，也可以將二價鐵氧化為三價鐵，或是將三價鐵還原為二價鐵。而隨著鐵參與其中，電子就能進一步在碳、硫、氮等生命必需元素之間流動。在接受新華社采訪時，研究者將這種能量機制比喻成一種長期的“電池”或是“地下電網(wǎng)”，可以源源不斷地為地下生命提供能量。

無處不在

從總量來看，地震導(dǎo)致的巖石破裂釋放的氫氣其實并不多。研究團隊根據(jù)地震震級、斷層面密度和地震頻率做了簡單估算，發(fā)現(xiàn)全球地震每年至少會產(chǎn)生 1.1×10? 摩爾氫氣。這個數(shù)字其實比輻射性巖石和蛇紋石化，以及海洋系統(tǒng)中海水與巖石的反應(yīng)低很多。

然而，對深層地殼中生物的氧化還原循環(huán)來說，地震的作用不容忽視。如果從單位面積看，巖石破裂局部氫氣的產(chǎn)生速率很高，可以達到每平方米每年 33.1 摩爾，這個數(shù)字比輻射分解水和蛇紋石化至少高出 5 個數(shù)量級。“這樣局部的產(chǎn)氫速率對維持巖石內(nèi)棲息的微生物生命至關(guān)重要，特別是在一些開放裂隙內(nèi)。”論文中解釋道。在這些活動的斷層中，形成了一個個微生物活動與多樣性的局部熱點。

早在生命剛剛起源的時候，這些氧化還原反應(yīng)可能就已經(jīng)對深層生物圈產(chǎn)生了影響。而現(xiàn)在，這樣的氧化還原梯度依然存在于地層深處。同時，這樣的反應(yīng)并不一定要發(fā)生強烈的地震，在一些構(gòu)造活動平靜的地區(qū)，甚至是在一些已經(jīng)停止構(gòu)造活動的行星內(nèi)部，當壓力分布發(fā)生變化時，巖石的破裂也可能會發(fā)生類似反應(yīng)。

“在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二等天體的地下環(huán)境中，”論文中寫道，“這樣的過程可能也在發(fā)生。”