深海,极端生命的伊甸园

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深海,极端生命的伊甸园　　自古以来，人类一直相信深海是黑暗和死寂的地方，因此，穷尽所能飞向太空。在宇宙的极端环境中；苦苦追寻生命存在的证据，但是；喧嚣过后，人类探索生命的步伐重新回归到被忽视的深海，海底花园的发现；彻底揭开了人类探索海洋的帷幕。　　自古以来，人类一直相信深海是黑暗和死寂的地方。这里的世界，终年黑暗，阳光完全不能透入，盐度高，压力大，海水温度低冷，除了海底火山口，大部分的海水温度基本维持在30℃左右，因此人们称深海为世界上最大的“冷藏库”。然而就在这寒冷、黑暗的深海世界，大自然不仅在深海里勾勒出了各种地貌，还让这里成为了古老生命隐居的世外桃源。　　然而，随着深海探索的不断前进，人类逐渐发现这里并非一片荒漠。虽然生存条件非常恶劣，但深海却依然包含了众多的生命形式，并且这些生命都进化出了一系列适应环境的生存智慧。它们静静地在海底，等候着人类终有一天的到访。　　鲜为人知的深海　　大陆架是陆地的基础，阳光能照到海底。从海滩向前，一直到水深200米处，就是大陆架从陆地延伸到海洋的距离。往前，水下的陆地开始陡峭地倾斜下去，人们称它大陆坡。再住前，海水深到600米，就算是深海了。在这样的水里，我们人类的眼睛，看到的只能是一片黑暗了。10 　　海底在大陆坡的脚下，是真正的深渊。如果把海水排干，就会发现，深海盆地其实并不平坦。海底就像陆地一样，有山脉，有高原，有峡谷、有凹地，也有丘陵和平原。不过同陆地相比，有的海底山脉更高、更长，地貌的高低起伏比陆地的地形更为复杂。深海的峡谷能装得下整个喜马拉雅山山脉。更令人惊奇的是，大洋底还有一条长达60000千米的山脉，科学家们称这座大山为海底中脊，它像一条巨蛇一样，蜿蜒穿过大西洋、太平洋、印度洋和北冰洋。　　深海的海底绝大部分地方都覆盖着来自上层海水的物质。在漫长的地质年代里，由陆地河流和大气输入海洋的物质以及人类活动中落入海底的物质，包括软泥沙、灰尘、动植物的遗骸、宇宙尘埃等，年积月累、日久天长，已经多得无法计算了。科学上把这些东西统称为海底沉积物。这些深海沉积中保存了大量的浮游微体生物和超微生物死亡后的遗骸，此外还有风尘沉积、火山灰、冰山载运的碎屑以及宇宙尘埃等物质，它们随着环境的变迁都会留下各自的信息指标，就像考古文物那样记载着地球的蹉跎岁月，成为古环境研究的历史档案馆。　　环绕地球的大洋中脊上，布满了熔岩流和热泉口。在东太平洋的加拉帕哥斯群岛附近的海底，多处热泉的泉水汨汨冒出，泉水温度高达摄氏两百多度，泉口暗藏得深邃而隐蔽。1977年美国“阿尔文”号深潜器潜入东太平洋中隆2500米深处的加拉帕哥斯裂谷，发现了正在喷出热液的洋底“黑烟囱”和独特的热液生物群。海水沿裂隙渗入大洋中脊的新生地壳，与数千米深处上涌的地幔物质发生交换后再从海底喷出，由于温度高并富含硫化物，这类热液以每秒数米的速度如“黑烟”10 状喷出，喷发出来的海水温度高达上百度。深海热泉是地球能量和物质交换的重要通道，影响着大洋海水和大洋地壳的化学成分，进而影响了整个地球生态系统。就是这些热泉，为海底带来了勃勃生机，成为了海底的“生物共荣圈”。　　隐居深海的奇异生命　　在没有阳光的深海无法进行光合作用，这意味着生命不可能在这里生存；深海中巨大的水压已以将几厘米厚的钢制容器像鸡蛋壳一样压碎。如此严酷的环境，怎么可能会有生命?然而就在这寒冷、黑暗的深海环境中，却偏偏有节肢动物、虾、乌贼、章鱼和鱼等动物在其中生存，并且生活的生物都进化出了一系列适应环境的生存智慧。　　根据探海研究的发现，不仅在3000～6000米的深海中有大量的鱼类生活着，就是在6000米以的深海里，也仍然有鱼类，而且这些深海鱼类不但没有像深潜器那样的硬壳，反而是皮肤柔韧富有弹性，肌肉松弛，体内包含大量水分，甚至高达95％。这些在深海中的鱼类为什么能承受重压而不死?大家知道，每增加10米水深，压力大约增加一个大气压，这就意味着即使一条20N米长的小鱼，在这一深处得承受140多吨的压力。但实际上在这样的海洋深处，鱼类照样能生存。根据流体力学原理，在一个密闭的充满液体的容器内，给液体加以某一压力，则按所加的压力大小由液体向各个方向传递。深海和超深海地区，相当于一个密闭的容器，深海鱼体内含有许多水分，所受到的压力，通过体内的水分传递给周围的海水，这样鱼体内外的压力差就消失了，鱼不会有沉重的负荷感觉。然而惯于深海重压生活的鱼类，一旦升到水的上层，它将死亡。因为在原有高压条件下氧气溶解于血液中，一旦突然减压，氧气则膨胀形成气泡堵塞血管，严重时鱼类将因血管胀破而亡。10 　　深海动物大多长相怪异，它们已经适应了食物缺乏、四处黑暗的生活，能最大限度地利用环境，捕获到不经常有的猎物。　　深海鱼类长得奇形怪状，有的眼睛大而突出，有的眼睛已退化，但鱼口都大得惊人，身体扁扁的，头大尾小，样子非常难看。它们都不大爱活动，只张开大口，靠拟饵诱捕猎物。拟饵状如灯笼，内有发光器。有些生物误以为这是可口的美食，游过去刚要去咬，就被它们一口吞进肚里。深海鱼最突出的特点是嘴巴大，因深海的食物稀少，一旦碰到食物，口越大，一口吞进的食物就越多，生存的机会就越大。有的深海鱼甚至还能吞下和自己身体一样大的食物。　　海鳞虫是生活在深海热泉附近的海洋生物。这些小生物只有两三厘米长，直到40年前才被发现是生态系统的一部分。海鳞虫在深海温泉排气口附近爬行，而热泉释放出过热的水，为海鳞虫提供了必需的化学物质。它们用看上去极其可怕的牙齿用力咀嚼生存在热水和温泉地带的细菌和简单的有机体。最近深海研究人员公布的一系列图片显示了许多海鳞虫的惊人细节，例如它们可怕的嘴可以由内向外翻转，这样更易捕获猎物。图片真实地反映了它们在水面下1000多米的高压力环境中如何进化出生存本领。海鳞虫能生存在人类已知的最恶劣环境中，这让法国海洋探索研究所高级研究员丹尼尔一德斯布鲁耶莱斯非常着迷。他说：“深海是地球上栖息地最多样化的地区之一，但我们对它的探索还处在一个早期阶段。”10 　　最近澳洲科学家在大堡礁底下的幽暗深海，利用专用摄影机，意外拍到许多过去从没发现过的生物。这些深海生物不仅外观怪异，色彩也异常鲜艳。有一种生物，看上去像是戴着黑面罩的武士，其实是深海底下爬行的甲壳类动物。漆黑的海底，生物外观色彩反而更加艳丽，就连水母都是鲜红色的。许多鱼类全身是透明的，每根骨头都看得很清楚。研究团队负责人昆士兰大学的马歇尔表示，这次还发现了许多不明鱼种，像是史前六鳃鲨鱼，这些深海生物游得很慢，因为这里的食物很少，它们必须保存能量，有些生物甚至一年只进食一两次。　　深海动物的代谢率通常很低，为相近的浅海动物的1／100，连细菌分解有机物的速度也很慢。鱼和无脊椎动物的耗氧量比浅海相近动物低100多倍。深海动物身体组织中含的水分多，含的蛋白质和类脂物质少，这也是代谢率低的原因之一。较低的代谢率使它们的寿命反而更长，更适宜在恶劣的环境中生存。　　除此之外，深海动物还拥有敏感的嗅觉。例如深海鳗鱼可以靠嗅觉来找到并鉴别雌雄，一些食腐肉的鱼和端足类动物靠气味能很快找到食物。有人把诱饵沉入1800米深的海底。不到1个小时就诱捕到800多个端足类动物，甚至到9600米水深还能诱捕到端足类动物。　　许多深海动物包括鱼、虾、端足类等都能发光，在深海之中，发出的点点星光，仿佛是遥远天际闪烁的星星。发光的深海动物因种类繁多而呈现出复杂的多样性，种类不同，其发光的方式和发光的器官也不相同。某些生物能持续不断地发光，另一些则间歇发光。发光的深海动物都长有“发光器”。有些“发光器”结构简单，只是一个管腺；有的“发光器”则较为复杂，比如大口鱼的“发光器”是一个埋在皮肤里的囊状体：有的鱼的“发光器”10 散布在皮肤内，数量众多，能发出强烈的绿光；有些鱼的发光器官长在身体的两侧，从头到尾平行排列；还有些鱼则根本就没有发光器官，而是通过皮肤分泌出一种发光液体来发光。发光的目的是惊吓敌害，吸引异性，诱捕食物，找到同伴。在海洋中上层的鱼，眼睛往往很大，像望远镜一样变成筒状，方向朝上，这样可以充分接受上方来的微弱光。而在中下层，除了生物发的光以外再无任何光线，即使视力再好也无用武之地，所以许多鱼眼都退化了成了瞎子。但它们的侧线发达，许多鳍条延长成丝状，其作用像盲人探路用的竹竿一样，可以察知周围的微弱动静。深海的水流很稳定，任何动物的一举一动，都会引起水的振动而被发觉。　　海底的黑暗食物链　　人们总是穷尽所能飞向太空，在宇宙的极端环境中，苦苦追寻生命存在的证据。但是，喧嚣过后，星空仍然是一片沉寂。一次偶然的发现，使人类探索生命起源的步伐回归到被忽视的深海。　　1977年一个晴朗的日子，一艘美国研究船上的杰克?科利斯是一名海洋地质学家，正在研究深海地壳。他和另外两名同事向母船上的研究员道别后，钻进了拥挤的阿尔文号机舱内。机舱开始徐徐下降，逐渐沉向黑暗冰冷的深海中。约90分钟后，船体开始沿着海底缓缓滑行。科利斯凝视着舷窗，发现高大的海底热泉喷发出滚滚黑烟，使“阿尔文”仿佛置身于一个由烟囱组成的海底工业基地一般。在这些黑烟囱周围，他们发现了前所未见的管状形的蠕虫。　　深海热液的发现引起了轰动，过去科学家们一直认为，地球上所有生命均需从太阳获得能量。植物通过光合作用过程转换成能量，为无数的动物物种提供食物。但在这里，热泉却支持着特殊的深海生物群，它们不靠阳光的光合作用生存，从此人们知道了地球上除了众人熟悉的“10 有光食物链”外，还存在着“黑暗食物链”。　　丰富多样的生命形式已经适应了这样的深海热泉，并在此安了家。管状蠕虫就是这样一种特殊的生物，它们形态美丽，上端是一片红色的肉头，下端套着白色管子，这种管子很好地保护了它们的身体，远远看上去，一丛丛的管状蠕虫就像海底盛开的白茎红花。管状蠕虫的底部紧紧地粘在海底底层岩石上，红色肉头部分可以活动。红色的肉头有许多片状触手沿着一条中轴线紧密堆积起来，触手上生长着更小的羽状绒毛，看上去像美丽的羽毛。平时蠕虫的“羽毛”喜欢伸出管外，随着海水的波动尽情舒展，但是当螃蟹或是有异物不小心触碰了它们的时候，就会整个儿缩进白色硬管，躲着不出来了。　　大多数管状蠕虫生活在热泉和冷海水混合的区域，很难确切地测量出虫虫们聚集地的实际温度，更难以说明它们究竟是喜爱冷海水还是热泉。来自哈佛大学的PeterGirguis与华盛顿州立大学的RaymondLee，从深海带回一些蠕虫到实验室，为了让实验得到精准的结果，需要模仿它们生存的自然环境。这意味着不仅重新创建极高的水温，还要建造出令人难以置信的高水压，两位科学家制造出了一种特殊的高压鱼缸，使他们能够精确地控制水温。他们在鱼缸的一端，使水温调整为2cc，而在另一端的水温为61℃10 。然后，他们把管状蠕虫放在鱼缸的中部，观察它们，吃惊的是，当被放置在鱼缸中后，管状蠕虫逐渐移向热水一端移动。它们不仅能在高温下生存，确切的说它们更喜欢高温!这些管状蠕虫为什么喜欢住在如此高的温度中呢?科学家认为，这可能使他们能够避免与其他动物竞争资源(如居住空间、食品或天敌)，因为大多数其他生物体无法忍受在如此高的温度下生活。　　管状蠕虫没有口和肠来摄取食物，它们是如何生存的呢?1980年哈佛大学的学生发现了管状蠕虫细胞内散布着细菌，这些细菌与蠕虫形成了共生关系，维持了它们的生命。硫化氢对于一般生物来讲，可以取代氧，和起呼吸作用的酵素结合，导致生物窒息而亡，但它对管状蠕虫秋毫无犯。生物学家阿利沙阿帕发现，管状蠕虫血液里有一种蛋白质能够把硫化氢浓缩随后带给体内细菌。这种蛋白质不仅输送氧而且也输送硫化氢，在通过血液把这些东西送到细菌所在地以前，有毒的硫化氢并不会释放出来。管状蠕虫红冠的作用就是从水里吸取二氧化碳、硫化氢和氧。　　宛若繁星的深海微生物　　微生物总是能出现在它们能够生存的一切物理、化学、地质环境中，这似乎是一条基本规律。海洋的深处，分布着各种微生物，它们形态各异，数量繁多，好似夏天夜晚的繁星。深海恶劣的环境，给这些小生命的生存方式戴上了神秘的面纱。人类对深海不断的探索和研究，正逐渐揭开这层面纱。　　那些在极端环境中生长并通常需要这种极端环境才能正常生长的微生物被统称为极端微生物。在深海环境中广泛存在着嗜酸(pH3以下)、嗜碱(pH10以上)、嗜盐(2.5mol／L以上)、嗜冷(可达0℃以下)、嗜热(120℃以上)、嗜压(500大气压以上)微生物。深海微生物处于独特的物理、化学和生态环境中，在高压、极微弱的光照条件和高浓度的有毒物质包围下，它们形成了极为特殊的生物结构、代谢机制系统。10 　　嗜热茵是一类生活在热环境中的微生物，如深海热泉周围。决定嗜热茵耐热性的主要机制是蛋白质的热稳定性，嗜热茵中蛋白质合成系统具有热稳定性。不仅嗜热茵与常温茵蛋白质氨基酸组成成分不同，而且在蛋白质的天然构象上也不一样，这种空间上的微妙变化，决定了蛋白质对高温的适应性。此外，嗜热茵中蛋白质合成系统也具有热稳定性，重要代谢产物能迅速合成以补充失活的物质。　　在深海的高盐环境中还存在着许多抗高渗透压微生物，即嗜盐微生物。各种嗜盐茵具有不同的适应环境机理。杜氏藻是目前已知真核生物中最耐盐的生物，能在5.5mol／L饱和盐浓度中生存，其耐盐机制被认为是通过调节自身细胞内甘油浓度来实现的。　　最适生长DH为9～10以上的微生物，称为嗜碱茵。它们种类繁多，包括细菌、真菌和古茵，细胞壁所起的屏障作用和细胞膜对pH的调节作用，让嗜碱茵虽身处碱性环境，却能保持细胞内环境的中性。　　嗜酸细菌主要包括自养嗜酸细菌和异养嗜酸细菌，很多情况下，嗜酸茵往往也是嗜高温茵。目前，对嗜酸茵的抗酸机理有一些假说，有的学者认为嗜酸茵细胞表面存在大量的重金属离子，可与周围的H+交换，阻止了H+进入细胞，还有的认为嗜酸菌含有抗酸水解的蛋白质。　　能适应深海高压环境的微生物称为嗜压茵。嗜压茵有一组能调节压力影响的基因，通过它们减少某些蛋白质的产生率，有效组织高压环境下体内的糖和其他营养成分扩散到体外。10 　　嗜冷茵的主要生存环境有极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤等低温环境。嗜冷茵能在温度较低的环境中生存，和其细胞膜对温度变化的适应及特殊的蛋白质有关。它们可以通过改变细胞膜脂类的组成来适应低温环境。另外，当环境温度波动较大时，嗜冷茵还可以通过合成冷激蛋白来适应环境的变化。　　微生物构成了海洋生物量的绝大部分，它们对地球生物圈起着至关重要的作用。海底热泉活动区的许多动物食物链的基础是由微生物提供的，如氧化硫细菌，它们利用热泉喷发出的无机化合物的化学能，把二氧化碳转变成能够形成糖和碳水化合物的有机分子，以供养各类动物，因此氧化硫细菌被认为是深海热液活动区的初级生产力。深海环境的微生物还是可供人类运用的生物资源。工业生产常常要求一些特殊的反应温度、酸碱度，在这种条件下，普通酶无法保持活性，而这些微生物体内的极端酶在普通酶失活的条件下仍然能保持较高的活性，所以在工业上有着广泛的应用前景。深海生物还成为了新型特效药物、抗肿瘤、抗病毒、降压降脂等药物的来源。另外生存在海底的微生物能分解有毒物质及硫化物，并以其为能源繁衍生息。因此，这些生物还成为了能清除重金属、石油等污染物的“清道夫”，这些潜藏于深海中的生命，都静静等待着人类进一步的探索。10