編譯 劉迪一

沒陽光？ 沒問題。 放射性衰變可能支撐著地下生命。

科學家為追求生命的極限，不斷突破探索的邊界。他們向地表以下挖掘數(shù)千米，從礦井底部向外鉆探，并將鉆孔深入至海洋沉積物。美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心的化學家和天體生物學家托里?霍勒（Tori Hoehler）表示，令他們驚訝的是，“我們看到到處都是生命” ，它們以驚人的數(shù)量存在著。根據(jù)各種估計，有生命居住的地下區(qū)域的空間是海洋的兩倍，擁有1030個細胞——這使其成為地球上最大、最古老以及最具生物多樣性的棲息地。

研究人員仍在努力探索地下空間的大部分生命是如何生存的。用于光合作用的陽光顯然無法抵達如此深度，而這里微薄的有機碳食物也往往很快耗盡。與居住于海底熱液噴口附近或因火山活動而升溫的大陸區(qū)域內的生物群落不同，地下的生態(tài)系統(tǒng)通常無法依靠高溫過程給某些不進行光合作用的地下生命提供支持——這些微生物必須在寒冷和黑暗下生存。

2021 年2 月，兩支科研團隊分別發(fā)表論文，似乎解開了關于地表下方和深海沉積物里的細胞的一些謎團。他們提供的證據(jù)表明，正如太陽的核聚變反應為地上世界提供能量，另一種核過程——放射性衰變——能維持地表深處的生命。巖石中不穩(wěn)定原子的輻射可將水分子分解為氫和具有化學活性的過氧化物及自由基。某些細胞能直接以氫氣為燃料，其他的分解物可將礦物質和周圍的化合物轉化成額外的能源。

盡管這些輻射分解反應產生能量的速度比太陽光和地下熱的過程慢得多，但研究人員證明它們已經快到能在各種環(huán)境下成為微生物活動的關鍵驅動因素，并為多種有機分子及其他對生命很重要的化學物質的生成提供保障。

布朗大學的行星地質學家杰克?穆斯塔德（Jack Mustard）并未參與此項新工作，但他表示，這個輻射分解的理論“開辟了全新的視野”，幫助人類了解生命可能的樣子，可能出現(xiàn)于早期地球，以及我們某天還可能在宇宙中的其他地方發(fā)現(xiàn)生命足跡。

1981 年，也就是科學家在熱液噴口發(fā)現(xiàn)生命的4 年后，芭芭拉?羅拉（ Barbara Sherwood Lollar）開啟了大學生涯。如今已是地球科學領域權威人物的羅拉表示，研究地下世界不僅是“一種了解地球上那從未見過的部分，一種我們還不理解的生命的方式”，而且“顯然會跨越化學、生物學、物理學和地質學的邊界”，使科學家能以全新且有趣的方式將這些領域結合起來。

羅拉在20 世紀80 年代接受了學科專業(yè)培訓，然后于90年代成為多倫多大學的地質學家，開啟了自己的職業(yè)生涯。在這個時期，越來越多的地下微生物群落被發(fā)現(xiàn)。

“只要你有水、一些放射性衰變、一點硫化物，然后你就會得到一個可持續(xù)的能源生產系統(tǒng)，它可以持續(xù)數(shù)十億年……”NASA的行星科學家杰西?塔納斯博士后研究員如此說道。

部分研究人員提出這樣一種觀點：可能存在著一個由氫觸發(fā)的地下深層生物圈，其中充滿了以氫氣作為能源的細胞。（人們從取自地下深層的樣本里發(fā)現(xiàn)許多微生物都富含能從氫中獲取能量的酶的基因。）許多地質過程可能會產生這種氫，而最為科學家深入研究的過程只發(fā)生于高溫和高壓條件下，這些過程包括火山氣體之間的相互作用、特定礦物質在水作用下的分解以及蛇紋石化作用——某些種類的地殼巖石通過與水的反應發(fā)生的化學變化。

到21 世紀初期，羅拉與現(xiàn)任職于臺灣大學的林立虹以及普林斯頓大學的圖利斯?昂斯托特（Tullis Onstott）等人在從南非和加拿大地殼深處分離出的水中發(fā)現(xiàn)了高濃度的氫——用羅拉的話說，“在某些情況下，高得驚人”——但他們無法用蛇紋石化作用解釋它，因為此過程所需的礦物質種類通常不存在，而且鑒于這些年一直沒什么火山活動和巖漿流，其他過程似乎也不太可能。羅拉說道：“因此，我們開始擴展對產氫反應及其與這些地方巖石的化學和礦物學關系的理解。”

羅拉等人發(fā)現(xiàn)，這些多石之地的水不僅含有大量的氫，還有豐富的氦——這表明鈾和釷等元素的放射性衰變產生的粒子正在分裂水分子。20 世紀初，居里夫人的實驗室首次觀察到水輻射分解的過程，當時的研究者發(fā)現(xiàn)鐳鹽溶液會產生氫氣和氧氣氣泡。居里稱其為“沒有電極的電解”。（又過了幾年，科學家才意識到氧氣來自在此過程中產生的過氧化氫。）

羅拉、林立虹和昂斯托特等人于2006 年提出，南非和加拿大的微生物群落從輻射分解產生的氫氣中獲取生存能量。由此，他們開始了長期的探索，試圖揭示輻射分解對地下自然環(huán)境里生命的重要性。

接下來十年的大部分時間里，研究人員從各個礦場的地下深層含水層中獲取樣本，并將流體的復雜化學性質與其地質環(huán)境聯(lián)系起來。一些加拿大地殼下的水已與地表隔絕超過10 億年——甚至可能長達20 億年。水中存有細菌，且仍非?；钴S。

穆斯塔德說道：“那必須是一個完全自給自足的系統(tǒng)。輻射分解似乎是一種可以期待的能源，但它是否有足夠能量來維持生命？”

2014 年，當羅拉和她的同事將核化學家實驗室的工作結果與地殼礦物成分模型相結合時，他們發(fā)現(xiàn)輻射分解和其他過程可能會在地下產生大量氫——與來自熱液和其他深海環(huán)境的氫量相當。羅拉說道：“我們對地球上水巖反應產氫量的估計值增加了一倍?！?/p>

微生物可以直接利用輻射分解產生的氫，但這只是故事的上半程：為充分利用輻射分解，它們不僅需要氫作為電子供體，還需要另一種物質作為電子受體。羅拉等人懷疑這些微生物或許會在過氧化氫和其他含氧自由基與周圍礦物質反應所產生的化合物中找到合適的電子受體。他們于2016 年發(fā)表的論文證明，輻射分解過氧化氫可能與加拿大礦井壁中的硫化物相互作用，進而產生可充當電子受體的硫酸鹽。不過羅拉和同事還需要給出細胞依賴硫酸鹽獲取能量的證據(jù)。

2019 年，他們完成了這項證明。羅拉等人通過培養(yǎng)礦井地下水中的細菌，成功證明微生物能利用氫和硫酸鹽?！爸灰阌兴?、一些放射性衰變、一點硫化物，然后你就會得到一個可持續(xù)的能源生產系統(tǒng)，它可以持續(xù)數(shù)十億年……”NASA 的行星科學家杰西?塔納斯（Jesse Tarnas）博士后研究員如此說道。

在2021 年2 月發(fā)表的論文中，羅拉和同事證明，輻射分解不僅對地球上的氫和硫循環(huán)起作用，也在與生命最密切相關的循環(huán)——碳循環(huán)——中扮演關鍵角色。他們對來自加拿大同一個礦山的水樣進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)其中醋酸鹽和甲酸鹽的濃度非常高，而這些有機化合物是可以支持細菌生存的；此外，關于同位素特征的測量顯示它們并非生物制造。羅拉等人推測是輻射分解產物與巖石中溶解的碳酸鹽礦物發(fā)生反應，結果產生了他們觀察到的大量碳基分子。

推測需要更多證據(jù)來證實。而僅僅一個月后，法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學地球化學家洛朗?特魯什（Laurent Truche）和南特大學的約翰?范登博爾（Johan Vandenborre）等人就給羅拉團隊幫了大忙。他們此前一直在實驗室環(huán)境中獨立研究輻射分解，而在其發(fā)表于3 月的論文中，特魯什和范登博爾確定了在存在溶解碳酸鹽的條件下，輻射分解的精確機制和產率；他們還測量了各種副產品（包括甲酸鹽和醋酸鹽）的準確濃度。他們記錄的數(shù)量和速率與羅拉等人在天然巖石的深部裂縫中所看到的一致。

當羅拉在進行地下研究時，少數(shù)科學家正試圖確定海底之下輻射分解的影響，美國羅德島大學的地球微生物學家史蒂夫?德洪特（Steve D'Hondt）便是其中一位。同樣是在2月，他和自己的研究生賈斯汀?索瓦奇（Justine Sauvage）以及同事發(fā)表了近20 年來的研究成果，證明輻射分解對于維持海底地下生態(tài)至關重要。

2010 年，德洪特和日本海洋- 地球科技研究所（JAMSTEC） 的地球微生物學家稻垣文雄（Fumio Inagaki）領導了一次鉆探考察，從全球收集海底沉積物樣本。之后，德洪特和索瓦奇將數(shù)十種沉積物懸浮于水中，并使它們暴露在不同類型的輻射下。結果他們每次都發(fā)現(xiàn)混合液產生的氫氣量比純水受到輻射后所產生的要多得多——沉積物放大了輻射分解的產量。德洪特指出：“在某些情況下，水中沉積物的存在使氫的產量增長了近 30 倍。有些礦物是生產輻射分解氫的溫床，它們非常有效地將輻射能轉化為可供微生物食用的化學能?！?/p>

然而，德洪特和同事在他們鉆探的沉積巖芯里幾乎沒發(fā)現(xiàn)任何氫。他們的判斷是，產出的氫被沉積物里的微生物消耗了。

根據(jù)德洪特等人的模型，在擁有超過幾百萬年歷史的深層沉積物里，輻射分解氫的產生和消耗速度比有機物質更快，這使得水的輻射分解成為這些較老沉積物的主要能量來源——雖然這些能量只占全球海洋沉積物環(huán)境里可用總能量的1%～2%，但其影響仍相當大。（另外98%來自有機碳，有機碳的消耗主要發(fā)生于沉積物還“年輕”的時候。）

索瓦奇表示，這意味著輻射分解“是地球上重要微生物群的生物可利用能量的基本來源”——不僅是大陸，在海洋下方也是如此。

關于輻射分解的新發(fā)現(xiàn)可能不僅能解釋它如何在極端環(huán)境下支持生命活動，還有望闡明非生物性的有機合成如何為地球和其他地方的生命起源奠定基礎。

羅拉團隊最近觀察到，在加拿大礦山周圍的封閉環(huán)境系統(tǒng)中，大多數(shù)含碳化合物似乎是非生物產生的，這讓她感到振奮。羅拉表示，這些地方似乎可以被比作“地球在生命出現(xiàn)之前就存在著的原生湯”——即便生命并非起源于此類能量較高的地下環(huán)境（例如熱液噴口），這些區(qū)域也很可能為生命提供了安全的活動場所，幫助它們長期維持，遠離地表的危險（如流星撞擊和困擾早期地球的高水平輻射）。

建模和實驗工作表明，即使是簡單的系統(tǒng)（例如僅由氫、二氧化碳和硫酸鹽組成的系統(tǒng)）也可能導致極其復雜的微生物食物網；將輻射分解產生的甲酸鹽和乙酸鹽等化合物加入系統(tǒng)中可顯著拓寬潛在的生態(tài)景觀。由于醋酸鹽和甲酸鹽能形成更復雜的有機物，它們可以帶來更加多樣化的系統(tǒng)。

南加州大學的行星科學家道格?拉羅（Doug LaRowe）表示：“假設輻射只能制造堿性有機碳，如甲酸鹽和乙酸鹽，如果你將這些化合物轉移至不同環(huán)境中，或許它們能在那里反應形成其他物質?！边@或許有助于科學家更深入地了解氨基酸和其他重要的生命構成要素是如何產生的。

羅拉現(xiàn)在正和其他科學家合作研究加拿大古代水中存在的有機分子如何“復雜化”化學系統(tǒng)。巴黎地球物理研究學院的地球生物學家本內迪克特?梅內斯（Bénédicte Menez）表示，她的研究團隊致力于確定更復雜的有機結構如何形成，以及在一些最早期微生物的代謝中發(fā)揮何種作用。

天體生物學家也意識到，在評估太陽系和銀河系行星和衛(wèi)星的可居住性時，考慮輻射分解是多么重要。外星生命的維持可能并不嚴格要求陽光和高溫等條件。在任何存在地下水的巖質行星上，輻射分解幾乎無處不在。