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May. 27 2020

馬里亞納海溝疑似微生物的物質,暗示了木星衛星可能的生命樣貌

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  • 這些被認為是微生物群落的細絲狀結構物,是在2012年前往馬里亞納海溝(Mariana Trench)的「深海挑戰」期間,在水深達1萬668公尺的瑟琳娜深淵(Sirena Deep)的岩石露頭上觀察到的。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

  • 一張瑟琳娜深淵取得樣本的電子掃描顯微照片,裡面能看到微小的細絲緊密結合著富含碳的結構,因而被當作可能是微生物群存在的證據。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

科學家在2012年的「深海挑戰」(DEEPSEA CHALLENGE)前往了海洋最深處,並在遠征期間發現了疑似是細菌群落的絨毛叢附著在岩石上。

這些被認為是微生物群落的細絲狀結構物,是在2012年前往馬里亞納海溝(Mariana Trench)的「深海挑戰」期間,在水深達1萬668公尺的瑟琳娜深淵(Sirena Deep)的岩石露頭上觀察到的。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

這些被認為是微生物群落的細絲狀結構物,是在2012年前往馬里亞納海溝(Mariana Trench)的「深海挑戰」期間,在水深達1萬668公尺的瑟琳娜深淵(Sirena Deep)的岩石露頭上觀察到的。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

每當科學家要尋找生活在地球最不適宜居住之地的生物時,常常發現微生物能夠適應這些極端環境──例如酸性熱泉、窒悶的地底,以及幾億歲的海底岩石。而現在,前往馬里亞納海溝(Mariana Trench)底部的深海挑戰(DEEPSEA CHALLENGE)遠征的研究顯示,這片海洋最深的領域也能供各式各樣的生物組合生存。

在利用自動著陸器(robotic lander)探索海溝的瑟琳娜深淵(Sirena Deep)時,科學家發現了他們認為是生長茂盛的微生物群落,依附在這片深淵中的岩石上的證據。以前在馬里亞納海溝的泥裡,曾經發現過微生物和如蝦狀的端足類(amphipods)這類較大的生物,不過和深海中其他以「海洋雪」(編按:marine snow,指像雪花般不斷沉降的有機物碎屑)維生的生物不同,微生物的食物來源,似乎是海底岩石和水發生反應後所產生的化學物;該團隊在《深海研究I》(Deep-Sea Research I)期刊上發表了這個結果。

因為微生物不靠那些在上面游泳的生物過活,這些附著在岩石露頭上的綠色絨毛叢或許可以提供線索,告訴我們能存活在外太陽系衛星深海中的生命型態是什麼樣子,這些衛星包括木星的衛星木衛二(Europa),或土星的衛星土衛二(Enceladus)。

「現在我們能稍微知道在幾十億公里外的地方,生命可能以何種方式存在。」這個研究的共同作者、製片人及國家地理探險家詹姆士.卡麥隆(James Cameron)在電子郵件裡寫道:「而且或許也能追溯到40億年以前,生命剛出現時的情況。」

這些微生物可能是目前所發現的深度最深的化學合成(chemosynthetic)群落,牠們的食物來源,是在海平面下超過10.5公里處發生的地質作用釋放出的分子。「我們發現了一個推測是微生物的生態系,靠著化學合成作用繁茂地生長在最深、最黑、壓力最高的海底。這次發現可當成一個指南,告訴我們在木衛二的海洋中居住的可能性。」凱文.韓德(Kevin Hand)說,他是美國航太總署(NASA)的太空生物學家、國家地理探險家,以及這份新研究的主要作者。

然而韓德和其他專家也警告,這個根據海底照片和海水以及海洋沉積物樣本的發現,必須等到收集到那種細絲狀物質的樣本,才能確認結果為真。

「他們沒有實際取得那團毛叢的樣本。」賓州州立大學(Pennsylvania State University)的地球微生物學家珍.馬卡拉帝(Jenn Macalady)說,她在水下洞穴看過外型類似的微生物群落,不過並沒有參與這份新研究。儘管如此,她說,這些絨毛叢塊非常可能是活的生物。

「我在非常多地底陰暗處看過像這樣的東西,」她說。那「看起來很像我在加勒比海(Caribbean)地區水淹的洞穴裡看到過的黏質物。」

海底之旅

在西太平洋靠近關島的地方,馬里亞納海溝是一道彎曲的裂口,位於巨大的太平洋板塊潛入較小的馬里亞納板塊的板塊接合處。這個海溝是如此之深,如果把聖母峰(Mt. Everest)沉進去,山頂還距離海面1.6公里以上。在這裡存活的生物都必需忍受無盡的黑暗、剛好高過冰點的溫度,以及超過地表1000倍的壓力。

在2012年國家地理贊助的遠征中,韓德和卡麥隆航行到馬里亞納海溝上面的海域。在這趟旅行中,卡麥隆第一次單獨下潛到海溝最深處──挑戰者深淵(Challenger Deep)。在它的底部、海平面下1萬908公尺的深處,他看到的是極度單調的景色,只有漂流的米色沉積物和稀少生物。

「我們在挑戰者深淵底部沒發現什麼肉眼可見的生物。」卡麥隆說。但稍後在這趟遠征裡,這個團隊放了一個電話亭大小、可遙控的著陸器到瑟琳娜深淵,它在這道海溝附近,深度達1萬677公尺。他們選擇這個地點──海洋深度全球第三──是因為這裡地震活躍、可能有火山活動,而且可能因為有海流而營養比馬里亞納海溝其他地方豐富。

這些性質加起來顯示出瑟琳娜深淵可能比馬里亞納海溝其他地方藏有「更旺盛的生物表現。」該研究的共同作者、夏威夷大學(University of Hawaii)的派翠西亞.弗萊爾(Patricia Fryer)說,她曾仔細地研究過海溝的這個區域。

深海裡的化學反應

著陸器抵達了一個斜坡,它的攝影機顯示這邊首次發現海溝底部灰暗沉積物以外的東西,一堆從沉積物中探出頭或從上方懸崖掉落的的岩石,在那迎接著深海著陸器。無論是哪一種,這些岩石都曾經在地球的地函(mantle)熔爐裡鍛造,然後才被移動的地殼推擠上來。

「在這次潛航之前,沒有跡象顯示真的有天然岩石──例如岩石露頭或碎圓石堆──出現在那種深度,」韓德說:「這點很重要,因為我們想要了解是什麼樣的地質和地球化學環境,可能幫助了那邊任何得以存活的微生物生態系。」

無法接觸到陽光來進行光合作用的微生物有幾種方法來維持生命。「有一種是成為資源回收者,吃那些別人做出來的食物,」例如從接近海表面的透光層沉落下來的食物,「或是以岩石和各種溶解在水裡的物質維生,」馬卡拉帝說。

數十年前就發現第一種在馬里亞納海溝的微生物,不過這份新研究提供了證據證明另一種型態的生命,它們靠岩石發生的化學反應產物維生。

在洞穴或地球的其他陰暗角落裡,富含鐵與鎂的岩石接觸到海水後會發生一種叫做蛇紋石化作用(serpentinization)的化學反應,它已經被證明能推動微生物的新陳代謝。這種反應會產生微量的熱,並且製造出甲烷和氫等可供微生物新陳代謝的化合物。

「靠蛇紋石化反應生活的細菌群落是個完全不同的故事,而且在它們能夠在靠陽光的生物無法存活的環境裡生存。」卡麥隆說。

這個團隊在瑟琳娜深淵的岩石上發現了蛇紋石化作用的明顯徵兆,包括海水的化學反應上和岩石上可見的變化。因此,這個地點似乎能提供化學合成微生物所需要的刺激因素。而且雖然這裡的海水壓力大到足以壓扁一艘軍事潛艇,但是微生物小到可以「毫不在乎」這種極端的力量,潘妮洛普.波士頓(Penelope Boston)說,她是NASA艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的太空生物學家,沒有參與這份研究。

一張瑟琳娜深淵取得樣本的電子掃描顯微照片,裡面能看到微小的細絲緊密結合著富含碳的結構,因而被當作可能是微生物群存在的證據。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

一張瑟琳娜深淵取得樣本的電子掃描顯微照片,裡面能看到微小的細絲緊密結合著富含碳的結構,因而被當作可能是微生物群存在的證據。PHOTOGRAPH BY KEVIN PETER HAND

生物的照片

當研究團隊放大著陸器拍到的照片時,某樣奇怪的東西跳出來:呈手指狀下垂的綠色細絲附著在岩石上。研究團隊懷疑這團東西是由許多層細菌構成了複雜結構的微生物叢。

「我們一開始說牠們是瑟琳娜深淵裡長鬍子的岩石,因為它看起來很像海底的一叢鬍鬚。」韓德說。

研究團隊懷疑,如果這些東西真的是微生物叢,代表牠們能完全依靠蛇紋石化作用的化學副產物,而不靠從上層海水漂落下來的物質存活。這些只倚賴海底的地質作用產生的化學物質與能量生存的微生物,可能非常類似於地球最初的生命──或是那些可能存在於木衛二冰封的海洋裡的微生物。韓德說那裡的水深高達161公里,不過由於這個衛星的重力較小,那裡的壓力會和地球海底相差無幾。

「這項在瑟琳娜深淵的發現,告訴了我們許多可能在外星海洋裡發現的事物,不過它還只是一個很初步的發現,」卡麥隆說:「透過研究我們自己的海洋深處,我們能學會如何造出探索外星深海所需的運載工具和儀器。」

在馬里亞納海溝裡被認為是微生物的這種物質,還可能是在海洋最深、最黑暗地區的食物鏈的最底層,韓德說,也就是成為蝦狀的端足類等其他動物的食物。不過沒有這種毛絨物質本身的樣本,科學家也沒辦法完全確定說這個結構物就是活的微生物。

「我花了很多時間盯著海底,想著這個物體可能是這個或那個東西,然而只透過攝影機的鏡頭或舷窗之類的東西下判斷的話,我通常都是錯的。」伍茲霍爾海洋學研究院(Woods Hole Oceanographic Institution)沒有參與這份研究的茱莉.修伯(Julie Huber)說:「實際去收集和對樣本提出質疑至關重要。」

而從著陸器收集的海水裡有得到很吸引人的證據,它顯示了在這個毛茸茸岩石的附近,有數種微生物存在,而且都是在深海其他地方很常見的種類,包括紅細菌科(Rhodobacteraceae)和希瓦氏菌科(Shewanellaceae)。

「雖然馬里亞納海溝非常深,但它還是海底,」波士頓說:「因此它不是什麼與眾不同的海底──它只是比較深的海底。從微生物的觀點來說,那裡可能是個絕佳的居住地。」

延伸閱讀:迷你「外星人」木乃伊謎題揭曉!尋找外星生命的關鍵,可能就藏在地球的海洋

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