土卫二上可能存在原始生命的假说

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飞越地球

为了解答生命是如何起源的这一问题，有一个主流理论认为生命起源于早期地球的海底黑烟囱。在实验室中科学家们成功地通过模拟早期地球的环境使用当时地球上的物质合成了组成生命的基本有机物质。2004年美国的卡西尼号土星探测器在飞掠土卫二（恩科拉多斯）的南极时发现并收集了从地表喷发出的物质，经物质成分分析确认是含有有机物质的液态水，这足以说明在土卫二的冰层下面可能存在着液态水海洋，而正是由来自土星的潮汐力所产生的热量融化了深层的水冰，也就是说土卫二存在着地热能，必然会有海底黑烟囱释放这些地热能。如果能够证明地球上的海底黑烟囱在地球早期参与了生命起源的过程，那么这一过程就极有可能在土卫二的海底黑烟囱上发生。

一、地球上的生命起源

（一）地球上的海底黑烟囱

1.海底黑烟囱的发现

1977年10月，美国科学家乘坐的“阿尔文”号深潜器潜入到了东太平洋水深约2500米的加拉帕格斯海底，科学家们发现在这里的海底上耸立着数十个高达2～5米，直径约15厘米，呈下粗上细的丘状物，并且从这些丘状物内不停地向外喷出黑色和白色的烟雾。因此，这些不停喷着烟雾的丘状物就被形象地称之为“海底黑烟囱”。

2.远古海底黑烟囱的发现

最早发现的古代“黑烟囱”遗迹是由英国科学家在爱尔兰找到的，该黑烟囱形成于4亿多年前。后来在南乌拉尔泥盆纪-奥陶纪块状硫化物矿床内识别出了1500多个小型黑烟囱，其中包含了志留纪块状硫化物的黑烟囱。

2001年5月，以北京大学李江海教授为首的研究小组在河北遵化从25亿年前的古大洋岩石——枕状熔岩中找到了规模很小的硫化物。2002年6月他们在山西五台山和太行山交界处发现了大量25亿年前古海底“黑烟囱”的残片。同年10月，他们在河北兴隆发现了保存完整的距今14.3亿年前的古老“黑烟囱”，这说明海底黑烟囱在很久以前就已经存在了。

（二）海底黑烟囱参与了生命起源的过程

1.海底黑烟囱的生态系统

由于没有阳光，人们普遍认为缺乏食物来源导致深海环境成为了生命的禁区。但是，最新的研究发现表明，在周围完全黑暗、有毒、高温、高压的海底黑烟囱环境里发现了高密度的动物种群，其生物量是附近深海环境中生物量的10³～10⁴倍，密度可达5㎏/m²。在海底黑烟囱的附近已经发现的新生物种类已达10个门、500多个钟，这些生物以黑烟囱喷口为中心向四周呈带状分布，他们不仅对热液的极端环境和毒性表现出了异乎寻常的适应性，而且其生存完全不依赖以光合作用为主导的食物链。

海底黑烟囱周围不仅存在丰富的生物聚落，而且还是地球生态系统中单位面积内生物数量最快速生产的地区之一，全球深海热液喷口化能合成生产力估计为10¹³g·a^-1。

在深海热液生态系统中，不同的生物按照其适宜生存的温度范围的降低，以海底黑烟囱的热液喷口为中心向四周逐级分布。喷口中心的温度高达350℃以上，在其周围40～110℃的区域内分布着多种古细菌和嗜热细菌，其中包括最适生长温度＞60℃的嗜热微生物，甚至最适生长温度＞80℃的超嗜热微生物，其密度高达10⁸-10⁹个·mL^-1，这些细菌都是厌氧的化能自养或异养细菌，它们一般贴附在沉积物或玄武岩表面，形成层状微生物席；在20～40℃区域，生活着大量多毛目蠕虫动物；在2～15℃区域，存在着整个系统里种类最繁多的生物，最具有代表性的是管状蠕虫，还有双壳类的蛤和贻贝、腹足类、蟹类、虾类、鱼类等动物。

这些在海底黑烟囱的生态圈里的生物，组成了独具特色的食物链关系，其最初的能量来源是从海底热泉里喷涌而出的硫化物。那些化能自养细菌通过氧化热泉里涌出的还原性物质H₂S和CH₄获取能量，固定热液中的CO₂（多以CO₃^2-和HCO₃^–形式存在）或者CH₄生产有机物。而其他动物则通过捕食这些微生物来获取能量，或者通过与这些微生物形成共生关系来分享这些微生物所获得的能量，并为这些微生物提供稳定的生存环境和所有化学合成营养物质的原料。

这就是由嗜热的化学自养细菌（生产者）和其它生物（消费者、分解者）所组成的一个小规模、独特的、完整而独立的食物链。由于这个食物链处于深海，并不存在光合作用，这也说明了阳光和氧气并非生命生存的唯一条件，在任何地方只要有液态水、热源以及有机物等条件就有可能存在生命。

图1 深海深夜系统中不同的微生物群落的生存环境示意图

Fig.1 Schematic diagram of the living environment of different microbial communities in deep-sea late-night system

（图片来源：冯军,李江海,牛向龙.现代海底热液微生物群落及其地质意义[J].地球科学进展,2005(07):732-739.P2，图1）

2.在地球地热系统中的深部生物圈中存在极端嗜热微生物

科学家通过对海底黑烟囱喷出热液中的絮状物进行采样分析研究后，发现这些絮状物主要是来自地下岩浆房周围以厌氧的Chemolithotroph（无机化能营养的）细菌及古生菌为主的微生物及其活动产物，包含元素硫丝体或附着金属氧化物及氢氧化物的多糖壳。由此可以认为，在那些喷出微生物及其有机物产物的海底黑烟囱下面的洋壳孔隙内存在着更大规模数量的微生物群落，这些嗜热微生物主要通过氧化H₂S生存。

同样，科学家们也在海底黑烟囱的热泉里发现了rDNA，并在热液内发现并培养出了嗜热和超嗜热微生物，其中的一些嗜热微生物酶在比采样点温度更高的条件下仍能保持稳定，并且需要在高温和无氧的条件下才能维持其活性，这表明在海底黑烟囱之下存在适合微生物生长的稳定厌氧生活环境，并存在大规模的超嗜热微生物圈。

通过ODP（大洋钻探计划）岩芯和洋底沉积样品微生物细胞直接计数表明，洋底以下数百米沉积物中存在着大量的微生物，最大深度可以达到洋底以下800m深处。因此，科学家们推测，在地下高温高压的极端生存环境中，存在大量化能自养原核生物，这些嗜热生物依靠地层中的有机物和化学反应获取物质和能量维持生存，并在地下深处形成了独特的深部生物圈。

3.嗜热微生物可能是地球生命的祖先

Woese通过对包括古细菌在内的各种生物ssrRNA（small subunit rRNA）的研究，将生命分为“三界”：A、原核生物；B、真核生物；C、古细菌（该名称的由来是因为古细菌是由原初生命经过了最少的进化而来的，并且其生存的环境条件也与地球早期生命起源时的最为相似）。

古细菌在形态、细胞壁成分、生存环境等特征都与原核生物、真核生物存在很大的区别，虽然古细菌在细胞大小、形状、结构及基因组结构方面与细菌（原核生物）相似，但是在DNA复制、转录、翻译等方面，古细菌却具有明显的真核生物特征。

在深海热液系统中，由于存在高温环境，大多数生物的蛋白质和生物酶都会失去活性，生物膜会失去流动性、细胞质也会凝结导致生物死亡，而由于多种热稳定性因子使得嗜热微生物（古细菌）能够在较高的温度环境下生存。

结合地球环境演化史，可以得知古细菌的生活环境与生命起源时的地球环境非常相似，并且目前的研究表明在每一个细菌类群中都存在着嗜热细菌，而且这些嗜热细菌往往都是所处细菌类群中最古老的类型，进化程度越低的细菌，其生存环境的上限温度就越高，例如古细菌的生存温度上极限为113℃，细菌为90℃，真菌为60℃，藻类为55～60℃，多细胞生物则更低，又因为生命起源时地表温度高达100℃，所以科学家们认为极端嗜热古细菌在进化分支上最接近原始生命。

图2 生态系统发育树

Fig.2 The tree of ecosystem development

（图片来源：冯军,李江海,陈征,牛向龙.“海底黑烟囱”与生命起源述评[J].北京大学学报(自然科学版),2004(02):318-325.P4，图3）

4.早期地球的海底黑烟囱为生命诞生提供了有利条件

地球环境演化史的研究表明，在演化的早期（3.8BaBP），由于太阳内尚存在大量的小行星，再加上当时地球缺乏富氧大气层的保护，导致地表经常受到大量陨石的轰炸。再加上早期地球大气中CO₂含量很高，造成了严重的温室效应，以及地表强烈的火山活动和来自早期太阳强烈的紫外线辐射，使得地表不适宜生命的存在。而深海则可以为最早的生命提供安全合适的生存环境，大量的海底黑烟囱等海底地热活动为最早的生命提供了能量与合成有机物质的原料，成为地球生命起源的理想场所。

二、土卫二上可能存在生命

（一）土卫二具备诞生生命的环境条件

1.土卫二存在液态水海洋

2005年，美国国家航天局（NASA）的卡西尼号土星探测器在环绕土星飞行时，发现在土星的第二颗卫星“恩科拉多斯”（土卫二）的南极有疑似喷泉现象，2008年3月12日，卡西尼号在近距离飞越土卫二时通过使用不同的仪器设备进行观察后，确认在土卫二的南极存在喷泉。

图3 “卡西尼”号土星探测器拍摄的土卫二照片

Fig.3 Saturn's Cassini spacecraft has taken this image of Enceladus

（图片来源：胡永云;杨军;魏强;中国科学院院刊2020年04期）

2008年至2009年间，卡西尼号三次从土卫二南极“虎斑”中喷射出的物质羽流中穿过，利用探测器上搭载的宇宙尘埃分析器（CDA）对新鲜的喷泉喷出物质颗粒进行了收集和成分分析。

在对土卫二南极“虎斑”中喷出的物质羽流和组成土星E环的物质分别进行化学成分分析后，科学家们发现，从距离土卫二表面相对较远的轨道上收集到的喷发物质明显细小并且缺少冰晶，比较接近组成土星E环的物质成分；但是从距离土卫二表面相对较近的轨道上收集到的喷发物质则是由颗粒明显较大，富含盐分的冰晶颗粒占据绝对地位。

经过进一步的研究，科学家们发现从土卫二南极地下喷发出的颗粒中，相对较细小并且含盐量较低的颗粒速度明显要大于那些相对粗大并且含盐量较高的颗粒。这也就可以解释为什么在土卫二的喷泉喷发物质中，99%的物质颗粒都有着较高的含盐量，而组成土星的E环的物质主要是细小而含盐量较低的颗粒，即那些大颗粒的富盐物质运动速度慢，无法达到土卫二的第一宇宙速度（环绕速度）而落回土卫二表面，而那些小颗粒的贫盐物质则能够凭借其较高的速度摆脱土卫二的引力，进入环绕土星的土星光环体。

由于盐水在结冰的时候，会有盐分被“析出”，留下纯净的淡水，因此可以推断出，那些从土卫二表面喷发的含盐量较高的冰颗粒，不可能是由土卫二表面的冰体形成的。并且这些富盐冰颗粒的成分接近海洋水体，科学家们推断在土卫二的冰质地表以下大约50英里（约合80.5公里）处，也就是岩质内核和冰质地幔之间存在着一片液态水海洋。

图4 土卫二内部结构示意图

Fig.4 Schematic of Enceladus' interior

（图片来源：[11].NASA宣布土卫二或存在海洋生命[J].前沿科学,2017,11(02):2.P1，图2）

2.土卫二的液态水海洋洋底存在地热系统

2014年，科学家们利用来自卡西尼号探测器的引力测量确定了土卫二存在地表下的海洋。

2015年，卡西尼号探测器在土卫二地表上发现了流淌着的富含硅的微小颗粒，这些颗粒的直径为5～10nm。一般情况下，当部分岩石成分在高温水中溶解后又急剧冷却时就会出现二氧化硅微粒。研究人员在实验中以不同的温度为变量条件将含有盐、氨和其它化学物质的岩石物质粉末进行了混合，结果表明，当温度到达90℃或更高时，在略微呈碱性的水中便能够形成硅石微粒。这表明，在冰面以下约50km深处的海底，如果有高于90℃的热水从岩石缝隙中喷出，就可以生成二氧化硅微粒。

因此，可以推断出就像地球上的温泉和海底热泉涌出的水含有二氧化硅微粒那样，土卫二的岩石质海底也存在着高温热泉，而这些热量则来源于土星和其它土卫对土卫二施加的引力潮汐所造成的星体扭曲和土卫二内部放射性元素的衰变。与此同时，也可以解释卡西尼号探测器所观察到的现象，即含硅物质微粒从热泉中沉淀析出，然后被冻结的液滴所捕获并从海底向上升起，从裂隙中喷出成为羽流的一部分进入土星环或是逃逸进入太空。

图5 土卫二的冰下海洋结构及其喷发原理

Fig.5 The subglacial ocean structure of Enceladus and how it erupts

（图片来源：沈晨毅; 汉字文化 2019年 S2期）

（二）土卫二可能存在生命

在之前，我们曾经讨论过在地球海底黑烟囱中的热泉里，水与岩石在相对高温的条件下相互作用，并产生了对生命有好的化学物质，其中包含生命所需的有机物和无机物，在这样的环境里诞生了地球上最古老的生命——嗜热古细菌，并逐渐地演化成为其它的生命形式。

而之前卡西尼号探测器在对土卫二南极“虎斑”地区的喷泉喷发出来的物质进行化学成分分析时，发现了高密度水汽和简单与复杂的有机化合物，这说明了在土卫二的冰层下面存在着一片液态水海洋，里面有着生命所必需的有机物和无机物，并且在这片液态水海洋的洋底还有这海底火山活动所产生的热泉，也就相当于地球上的海底黑烟囱。

结果，在具备了以上条件后，很难否认土卫二上可能存在生命。但是，要想最终证实这一推论，需要向土卫二发射行星探测器，该探测器需要有环绕器、着陆器和深潜器，环绕器负责着陆器和地球之间的通讯中继，着陆器负责打通一条穿透土卫二冰层的通道，而深潜器则负责穿过通道进入土卫二冰下的海洋进行探测任务。

虽然要想实现这一目的，需要花费大量的人力和物力资源，并且目前仍然存在很多的技术难题需要攻关，但是随着人类科技的进步和对自然世界的不断认知，终有一日，人类会理解太阳系诸行星世界的真实历史与演化过程，并解答生命起源这一难题。

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